In order to reduce the residual drift of a structure in structural engineering field, a combined structural system (dual) consisting of steel buckling-restrained braced frame (BRBF) along with shear wall is proposed. In this paper, BRBFs are used with special reinforced concrete shear walls as combined systems. Some prototype models of the proposed combined systems as well as steel BRBF-only systems (without walls) are designed according to the code recommendations. Then, the nonlinear model of the systems is prepared using fiber elements for the reinforced concrete wall and appropriate elements for the BRBs. Seismic responses of the combined systems subjected to ground motions at maximum considered earthquake level are investigated and compared to those obtained from BRBFs. Results showed that the maximum residual inter-story drift from the combined systems is, on average, less than half of the corresponding value of the BRBFs. In this research, mean of absolute values of the maximum inter-story drift ratio demand obtained from combined systems is less than the 3% limitation, while this criterion has not been fulfilled by BRBF systems.
A supplementary reinforced concrete wall can be used to improve the seismic behavior of a buckling restrained braced frame as a mixed system. In such a novel system, the total lateral force is resisted by the combination of the RC wall system and the BRBF. There is not enough research on the response modification factor of such a mixed system. This paper investigates the response modification factor, and such relevant factors as ductility reduction factor and over strength factor for a system consisting of reinforced concrete wall and buckling restrained braced frame. To this purpose, nonlinear incremental dynamic analysis as well as static push over analysis are used for 6- to 14-story sample structures. The results show that for mixed considered systems, the mean value of response modification factor varies approximately from 7 to 9.
In this paper, the seismic behavior of BRBF structures is studied and compared with special concentric braced frames (SCBF). To this purpose, three BRBF and three SCBF structures with 3, 5 and 10 stories are designed based on AISC360-5 and modelled using OpenSees. These structures are loaded in accordance with ASCE/SEI 7-10. Incremental nonlinear dynamic analysis (IDA) are performed on these structures for 28 different accelerograms and the median IDA curves are used to compare seismic capacity of these two systems. Results obtained, indicates that BRBF systems provide higher capacity for the target performance level in comparison with SCBF systems. And structures with high altitude (in this study, 5 and 10 stories) with the possibility of exceeding the collapse prevention performance level, further than lower altitude (here 3 floors) structures.
Akbar Nikzad;Alireza Kiani;Seyed Alireza Kazerounian
Structural Engineering and Mechanics
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제88권5호
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pp.463-480
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2023
The buckling-restrained braced frames with eccentric configurations (BRBF-Es) exhibit stable cyclic behavior and possess a high energy absorption capacity. Additionally, they offer architectural advantages for incorporating openings, much like Eccentrically Braced Frames (EBFs). However, studies have indicated that significant residual drifts occur in this system when subjected to earthquakes at the Maximum Considered Earthquake (MCE) hazard level. Consequently, in order to mitigate these residual drifts, it is recommended to employ self-centering systems alongside the BRBF-E system. In our current research, we propose the utilization of the Direct Displacement-Based Seismic Design method to determine the design base shear for a hybrid system that combines BRBF with an eccentric configuration and a self-centering frame. Furthermore, we present a methodology for designing the individual components of this composite system. To assess the effectiveness of this design approach, we designed 3-, 6-, and 9-story buildings equipped with the BRBF-E-SCF system and developed finite element models. These models were subjected to two sets of ground motions representing the Maximum Considered Earthquake (MCE) and Design Basis Earthquake (DBE) seismic hazard levels. The results of our study reveal that although the combined system requires a higher amount of steel material compared to the BRBF-E system, it substantially reduces residual drift. Furthermore, the combined system demonstrates satisfactory performance in terms of story drift and ductility demand.
The maximum ductility and cumulative ductility of connection joints of Buckling-Restrained Braced Frames (BRBF) are critical to the structural overall performance, which should be matched with the BRB ductility. The two-story and one-span BRBF with a one-third scale was tested under cyclic quasi-static loading, and the top-flange beam splice (TFBS) rotational connections were proposed and adopted in BRBF. The deformation capacity of TFBS connections was observed during the test, and the relationship between structural global ductility and local connection ductility was studied. The rotational capacity of the beam-column connections and the stability performance of the BRBs are highly relevant to the structural overall performance. The hysteretic curves of BRBF are stable and full under large displacement demand imposed up to 2% story drift, and energy is dissipated as the large plastic deformation developed in the structural components. The BRBs acted as fuses and yielded first, and the cumulative plastic ductility (CPD) of BRBs is 972.6 of the second floor and 439.7 of the first floor, indicating the excellent energy dissipation capacity of BRBs. Structural members with good local ductility ensure the large global ductility of BRBF. The ductile capacity and hysteretic behavior of BRBF with TFBS connections were compared with those of BRBF with Reduced Beam Section (RBS) connections in terms of the experimental results.
비선형 정적해석 및 에너지를 이용한 설계방법에서는 구조물을 등가의 단자유도계로 치환하여 해석하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 지진하중에 의한 3층, 8층, 20층 철골 모멘트저항골조(MRF), 비좌굴 가새골조(BRBF)와 힌지접합 비좌굴 가새골조 (DTBF) 구조물의 에너지 요구량을 등가 단자유도계 시스템(ESDOF)의 에너지 요구량과 비교하여 등가단자유도계로 치환하는 방법의 타당성을 검토하였다 입력에너지와 이력에너지를 산정하기 위하여 연암 지반, 연약한 토사, 단층 근처의 지반에서 계측된 60개의 지진을 사용하였으며, 모드 질량계수가 0.8보다 작은 경우 ESDOF로 변환할 때 고차모드의 효과를 고려하였다. 연구결과에 따르면 3층과 8층 MRF와 DTBF에서의 이력에너지와 입력에너지는 ESDOF의 해석결과와 비교적 잘 일치하였다. 그러나 20층 BRBF에서는 ESDOF의 결과가 본 구조물의 결과를 과소평가하는 것으로 나타났다.
In this paper, overstrength, ductility and response modification factors are calculated for frames braced with a different type of buckling restrained braces, called reduced yielding segment BRB (Buckling Restrained Brace) in which the length of its yielding part is reduced and placed in one end of the brace element in comparison with conventional BRBs. Forthermore, these factors are calculated for ordinary BRBF and the results are compared. In this regard incremental dynamic analysis (IDA) method is used for studying 17 records of the most known earthquakes happened in the world. To do that, the considered buildings have different stories and two bracing configurations: diagonal and inverted V chevron, the most ordinary configurations of BRBFs. Static pushover analysis, nonlinear incremental dynamic analysis and linear dynamic analysis have been performed using OpenSees software. Considering the results, it can be seen that, overstrength, ductility and response modification factors of this type of BRBF(Buckling Restrained Braced Frame) is greater than those of conventional types and it shows better seismic performance and also eliminates some of conventional BRBF's disadvantages such as low post-yield stiffness.
This study presents an analytical investigation on the seismic response of a medium-rise buckling-restrained braced frame (BRBF) under the near-fault ground motions. A seven-story BRBF is designed as per the current code provisions for five different combinations of brace configurations and beam-column connections. Two types of brace configurations (i.e., Chevron and Double-X) are considered along with a combination of the moment-resisting and the non-moment-resisting beam-to-column connections for the study frame. Nonlinear dynamic analyses are carried out for all study frames for an ensemble of forty SAC near-fault ground motions. The main parameters evaluated are the interstory and residual drift response, brace displacement ductility, and plastic hinge mechanisms. Fragility curves are developed using log-normal probability density functions for all study frames considering the interstory drift ratio and residual drift ratio as the damage parameters. The average interstory drift response of BRBFs with Double-X brace configurations significantly exceeded the allowable drift limit of 2%. The maximum displacement ductility characteristics of BRBs is efficiently utilized under the seismic loading if these braces are arranged in the Double-X configurations instead of Chevron configurations in BRBFs located in the near-fault regions. However, BRBFs with the Double-X brace configurations exhibit the higher interstory drift and residual drift response under near-fault ground motions due to the formation of plastic hinges in the columns and beams at the intermediate story levels.
구조물의 응답에 대한 잔류변위의 영향을 평가하기 위하여, 초기 잔류변형이 있는 상태에서 작용하는 설계지진에 대한 좌굴방지 가새골조(BRBF)와 특수 모멘트골조(SMRF)의 응답을 평가하였다. 초기 잔류변형은 구조물에 두 가지 방법으로 적용하였다. 첫 번째 방법은 첫 지진에 대하여 구조물이 정지 상태에 도달한 이후 같은 크기의 지진을 적용하는 것이다. 두 번째 방법은 소요 잔류층간 변형이 발생할 때까지 일방향으로 가력한 다음 지진하중을 적용하였다. 해석결과에 따르면 초기 잔류층간변위는 BRBF와 SMRF의 응답에 큰 영향을 주었다. SMRF 시스템보다 BRBF의 응답이 초기 잔류변형에 크게 의존하였다. 그러므로 지진발생 이후 보수비용을 최소화하기 위하여 잔류층간변위를 줄이는 것이 필요하다.
Response modification factor is one of the seismic design parameters to consider nonlinear performance of building structures during strong earthquake, in conformity with the point that many seismic design codes led to reduce the loads. In the present paper it's tried to evaluate the response modification factors of dual moment resistant frame with buckling restrained braced (BRB). Since, the response modification factor depends on ductility and overstrength; the nonlinear static analysis, nonlinear dynamic analysis and linear dynamic analysis have been done on building models including multi-floors and different brace configurations (chevron V, invert V, diagonal and X bracing). The response modification factor for each of the BRBF dual systems has been determined separately, and the tentative value of 10.47 has been suggested for allowable stress design method. It is also included that the ductility, overstrength and response modification factors for all of the models were decreased when the height of the building was increased.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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