D'Aniello, M.;La Manna Ambrosino, G.;Portioli, F.;Landolfo, R.
Steel and Composite Structures
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v.15
no.5
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pp.539-566
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2013
This paper summarises the results of a numerical study on the non linear response of steel concentric braced frames under monotonic and cyclic loads, using force-based finite elements with section fibre discretisation. The first part of the study is addressed to analyse the single brace response. A parametric analysis was carried out and discussed to evaluate the accuracy of the model, examining the influence of the initial camber, the material modelling, the type of force-based element, the number of integration points and the number of fibers. The second part of the paper is concerned with the modelling issues of whole braced structures. The effectiveness of the modelling approach is verified against the nonlinear static and dynamic behaviour of different type of bracing configurations. The model sensitivity to brace-to-brace interaction and the capability of the model to mimic the response of complex bracing systems is analyzed. The influence of different approaches for modelling the inertia, the equivalent viscous damping and the brace hysteretic response on the overall structural response are also investigated. Finally, on the basis of the performed numerical study general modelling recommendations are proposed.
Seismic analysis for steel frame structure with brace configuration using topology optimization based on truss-like material model is studied. The initial design domain for topology optimization is determined according to original steel frame structure and filled with truss-like members. Hence the initial truss-like continuum is established. The densities and orientation of truss-like members at any point are taken as design variables in finite element analysis. The topology optimization problem of least-weight truss-like continuum with stress constraints is solved. The orientations and densities of members in truss-like continuum are optimized and updated by fully-stressed criterion in every iteration. The optimized truss-like continuum is founded after finite element analysis is finished. The optimal bracing system is established based on optimized truss-like continuum without numerical instability. Seismic performance for steel frame structures is derived using dynamic time-history analysis. A numerical example shows the advantage for frame structures with brace configuration using topology optimization in seismic performance.
This study develops and numerically verifies an innovative seismically resilient bracing system. The proposed self-centering tension-only brace (SC-TOB) is composed of a tensioning system to provide a self-centering response, a frictional device for energy dissipation, and a high-strength steel cable as a bracing element. It is considered to be an improvement over the traditional self-centering braces in terms of lightness, high bearing capacity, load relief, and double-elongation capacity. In this paper, the mechanics of the system are first described. Governing equations deduced from the developed analytical model to predict the behavior of the system are then provided. The results from a finite element validation confirm that the SC-TOB performs as analytically predicted. Key parameters including the activation displacement and load, the self-centering parameter, and equivalent viscous damping are investigated, and their influences on the system behavior are discussed. Finally, a design procedure considering controlled softening behavior is developed and illustrated through a design example.
Mirtaheri, Seyed Masoud;Nazeryan, Meissam;Bahrani, Mohammad Kazem;Nooralizadeh, Amin;Montazerian, Leila;Naserifard, Mohamadhosein
Steel and Composite Structures
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v.23
no.2
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pp.217-228
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2017
Braces are one of the retrofitting systems of structure under earthquake loading. Buckling restrained braces (BRBs) are one of the very efficient braces for lateral loads. One of the key needs for a desirable and acceptable behavior of buckling-restraining brace members under intensive loading is that it prevents total buckling until the bracing member tolerates enough plastic deformation and ductility. This paper presents the results of a set of analysis by finite element method on buckling restrained braces in which the filler materials within the restraining member have been removed. These braces contain core as the conventional BRBs, but they have a different buckling restrained system. The purpose of this analysis is conducting a parametric study on various empty spaces between core and restraining member, the effect of friction between core and restraining member and applying initial deformation to brace system to investigate the global buckling behavior of these braces. The results of analysis indicate that the flexural stiffness of restraining member, regardless of the amount of empty space, can influence the global buckling behavior of brace significantly.
This study aims to examine the elastic stiffness properties of Elliptic-Braced Moment Resisting Frame (EBMRF) subjected to lateral loads. Installing the elliptic brace in the middle span of the frames in the facade of a building, as a new lateral bracing system not only it can improve the structural behavior, but it provides sufficient space to consider opening it needed. In this regard, for the first time, an accurate theoretical formulation has been developed in order that the elastic stiffness is investigated in a two-dimensional single-story single-span EBMRF. The concept of strain energy and Castigliano's theorem were employed to perform the analysis. All influential factors were considered, including axial and shearing loads in addition to the bending moment in the elliptic brace. At the end of the analysis, the elastic lateral stiffness could be calculated using an improved relation through strain energy method based on geometric properties of the employed sections as well as specifications of the utilized materials. For the ease of finite element (FE) modeling and its use in linear design, an equivalent element was developed for the elliptic brace. The proposed relation was verified by different examples using OpenSees software. It was found that there is a negligible difference between elastic stiffness values derived by the developed equations and those of numerical analysis using FE method.
When a welded circular hollow section (CHS) tubular joint is subjected to brace axial loading, failure position is located usually at the weld toe on the chord surface due to the weak flexural stiffness of the thin-walled chord. The failure mode is local yielding or buckling in most cases for a tubular joint subjected to axial load at the brace end. Especially when a cyclic axial load is applied, fracture failure at the weld toe may occur because both high stress concentration and welding residual stress along the brace/chord intersection cause the material in this region to become brittle. To improve the ductility as well as to increase the static strength, a tubular joint can be reinforced by increasing the chord thickness locally near the brace/chord intersection. Both experimental investigation and finite element analysis have been carried out to study the hysteretic behaviour of the reinforced tubular joint. In the experimental study, the hysteretic performance of two full-scale circular tubular T-joints subjected to cyclic load in the axial direction of the brace was investigated. The two specimens include a reinforced specimen by increasing the wall thickness of the chord locally at the brace/chord intersection and a corresponding un-reinforced specimen. The hysteretic loops are obtained from the measured load-displacement curves. Based on the hysteretic curves, it is found that the reinforced specimen is more ductile than the un-reinforced one because no fracture failure is observed after experiencing similar loading cycles. The area enclosed by the hysteretic curves of the reinforced specimen is much bigger, which shows that more energy can be dissipated by the reinforced specimen to indicate the advantage of the reinforcing method in resisting seismic action. Additionally, finite element analysis is carried out to study the effect of the thickness and the length of the reinforced chord segment on the hysteretic behaviour of CHS tubular T-joints. The optimized reinforcing method is recommended for design purposes.
The inclusion of a ductile steel bracing as means of repairing an earthquake-damaged bridge bent is evaluated and experimentally assessed for the purposes of restoring the damaged bent's strength and stiffness and further improving the energy dissipation capacity. The study is focused on substandard reinforced concrete multi-column bridge bents constructed in the 1950 to mid-1970 in the United States. These types of bents have numerous deficiencies making them susceptible to seismic damage. Large-scale experiments were used on a two-column reinforced concrete bent to impose considerable damage of the bent through increasing amplitude cyclic deformations. The damaged bent was then repaired by installing a ductile fuse steel brace in the form of a buckling-restrained brace in a diagonal configuration between the columns and using post-tensioned rods to strengthen the cap beam. The brace was secured to the bent using steel gusset plate brackets and post-installed adhesive anchors. The repaired bent was then subjected to increasing amplitude cyclic deformations to reassess the bent performance. A subassemblage test of a nominally identical steel brace was also conducted in an effort to quantify and isolate the ductile fuse behavior. The experimental data from these large-scale experiments were analyzed in terms of the hysteretic response, observed damage, internal member loads, as well as the overall stiffness and energy dissipation characteristics. The results of this study demonstrated the effectiveness of utilizing ductile steel bracing for restoring the bent and preventing further damage to the columns and cap beams while also improving the stiffness and energy dissipation characteristics.
Jouneghani, Habib Ghasemi;Fanaie, Nader;Haghollahi, Abbas
Steel and Composite Structures
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v.45
no.3
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pp.437-454
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2022
Elliptic-braced simple resisting frame as a new lateral bracing system installed in the middle bay of frame in building facades has been recently introduced. This system not only creates a problem for opening space from the architectural viewpoint but also improves the structural behavior. Despite the researches on the seismic performance of lateral bracing systems, there are few studies performed on the effect of the stiffness parameters on the elastic story drift and calculation of period in simple braced steel frames. To overcome this shortcoming, in this paper, for the first time, an analytical solution is presented for calculating elastic lateral stiffness in a simple steel frame equipped with elliptic brace subjected to lateral load. In addition, for the first time, in this study, a precise formulation has been developed to evaluate the elastic stiffness variation in a steel frame equipped with a two-dimensional single-story single-span elliptic brace using strain energy and Castigliano's theorem. Thus, all the effective factors, including axial and shear loads as well as bending moments of elliptic brace could be considered. At the end of the analysis, the lateral stiffness can be calculated by an improved and innovative relation through the energy method based on the geometrical properties of the employed sections and specification of the used material. Also, an equivalent element of an elliptic brace was presented for the ease of modeling and use in linear designs. Application of the proposed relation have been verified through a variety of examples in OpenSees software. Based on the results, the error percentage between the elastic stiffness derived from the developed equations and the numerical analyses of finite element models was very low and negligible.
To study the effect of collar-plate reinforcement on the static strength of tubular T-joints under axial loading, fundamental research work is carried out from both experimental test and finite element (FE) simulation. Through experimental tests on 7 collar-plate reinforced and 7 corresponding un-reinforced tubular T-joints under axial loading, the reinforcing efficiency is investigated. Thereafter, the static strengths of the above 14 models are analyzed by using FE method, and it is found that the numerical results agree reasonably well with the experimental data to prove the accuracy of the presented FE model. Additionally, a parametric study is conducted to analyze the effect of some geometrical parameters, i.e., the brace-to-chord diameter ratio ${\beta}$, the chord diameter-to-chord wall thickness ratio $2{\gamma}$, collar-plate thickness to chord wall thickness ratio ${\tau}_c$, and collar-plate length to brace diameter ratio $l_c/d_1$, on the static strength of a tubular T-joint. The parametric study shows that the static strength can be greatly improved by increasing the collar-plate thickness to chord wall thickness ratio ${\tau}_c$ and the collar-plate length to brace diameter ratio $l_c/d_1$. Based on the numerical results, parametric equations are obtained from curving fitting technique to estimate the static strength of a tubular T-joint with collar-plate reinforcement under axial loading, and the accuracy of these equations is also evaluated from error analysis.
Pandikkadavath, Muhamed Safeer;Sahoo, Dipti Ranjan
Steel and Composite Structures
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v.23
no.3
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pp.285-302
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2017
Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are commonly used as the lateral force-resisting systems in building structures in the seismic regions. The nearly-symmetric hysteretic response and the delayed brace core fracture of buckling-restrained braces (BRBs) under the axial cyclic loading provide the adequate lateral force and deformation capacity to BRBFs under the earthquake excitation. However, the smaller axial stiffness of BRBs result in the undesirable higher residual drift response of BRBFs in the post-earthquake scenario. Two alternative approaches are investigated in this study to improve the elastic axial stiffness of BRBs, namely, (i) by shortening the yielding cores of BRBs; and (ii) by reducing the BRB assemblies and adding the elastic brace segments in series. In order to obtain the limiting yielding core lengths of BRBs, a modified approach based on Coffin-Manson relationship and the higher mode compression buckling criteria has been proposed in this study. Both non-linear static and dynamic analyses are carried out to analytically evaluate the seismic response of BRBFs fitted with short-core BRBs of two medium-rise building frames. Analysis results showed that the proposed brace systems are effective in reducing the inter-story and residual drift response of braced frames without any significant change in the story shear and the displacement ductility demands.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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