Seismic performances of dual steel moment-resisting frames with mixed use of rigid and semi-rigid connections were investigated to control of the base shear, story drifts and the ductility demand of the elements. To this end, nonlinear seismic responses of three groups of frames with three, eight and fifteen story were evaluated. These frames with rigid, semi-rigid and combined configuration of rigid and semi-rigid connections were analyzed under five earthquake records and their responses were compared in ultimate limit state of rigid frame. This study showed that in all frames, it could be found a state of semi-rigidity and connections configuration which behaved better than rigid frame, with consideration of the base shear and story drifts criterion. Finally, some criteria were suggested to locate the best place of the semi-rigid connections for improvement of the seismic performance of steel moment-resisting frames.
A new type of moment-resisting bolted connection was developed for use in composite steel- concrete construction to connect composite open section steel beams to concrete filled steel square tubular columns. The connection was made possible using anchored blind bolts along with two through bolts. It was designed to act compositely with the in-situ reinforced concrete slab to achieve an enhanced stiffness and strength. The developed connection was incorporated in the design of a medium rise (five storey) commercial building which was located in low to medium seismicity regions. The lateral load resisting system for the design building consisted of moment resisting frames in two directions. A major full scale test on a sub-assembly of a perimeter moment-resisting frame of the model building was conducted to study the system behaviour incorporating the proposed connection. The behaviour of the proposed connection and its interaction with the floor slab under cyclic loading representing the earthquake events with return periods of 500 years and 2500 years was investigated. The proposed connection was categorized as semi rigid for unbraced frames based on the classification method presented in Eurocode 3. Furthermore, the proposed connection, composite with the floor slab, successfully provided adequate lateral load resistance for the model building.
In current ductility-based earthquake-resistant design, the estimation of design forces continues to be carried out with the application of response modification factors on elastic design spectra. It is well-known that the response modification factor (R) takes into account the force reduction, strength, redundancy, and damping of structural systems. The key components of the response modification factor (R) are force reduction ($R_{\mu}$) and strength ($R_S$) factors. However, the response modification and strength factors for structural systems presented in design codes were based on professional judgment and experiences. A numerical study has been accomplished to evaluate force reduction, strength, and response modification factors for special steel moment resisting frames. A total of 72 prototype steel frames were designed based on the recommendations given in the AISC Seismic Provisions and UBC Codes. Number of stories, soil profiles, seismic zone factors, framing systems, and failure mechanisms were considered as the design parameters that influence the response. The effects of the design parameters on force reduction ($R_{\mu}$), strength ($R_S$), and response modification (R) factors were studied. Based on the analysis results, these factors for special steel moment resisting frames are evaluated.
The combination of replaceable and repairable properties in structures has introduced new approach called "Low Damage Design Structures". These structural systems are designed in such a way that through self-centering, primary members and specific connections neither suffer damage nor experience permanent deformations after being exposed to severe earthquakes. The purpose of this study is the seismic assessment of steel moment resisting frames with the aid of rigid rocking cores. To this end, three steel moment resisting frames of 4-, 8-, and 12-story buildings with and without rocking cores were developed. The nonlinear static analysis and incremental dynamic analysis were performed by considering the effects of the vertical and horizontal components of 16 strong ground motions, including far-fault and near-fault arrays. The results reveal that rocking systems benefit from better seismic performance and energy dissipation compared to moment resisting frames and thus structures experience a lower level of damage under higher intensity measures. The analyses show that the interstory drift in structures equipped with stiff rocking cores is more uniform in static and dynamic analyses. A uniform interstory drift distribution leads to a uniform distribution of the bending moment and a reduction in the structure's total weight and future maintenance costs.
This study investigates the reliability of the performance levels of moment resisting steel frames subjected to lateral loads such as wind and earthquake. The reliability assessment has been performed with respect to three performance levels: serviceability, damageability, and ultimate limit states. A four-story moment resisting frame is used as a typical example. In the reliability assessment the uncertainties in the loadings and in the capacity of the frame have been considered. The wind and earthquake loads are assumed to have lognormal distribution, and the frame resistance is assumed to have a normal distribution. In order to obtain an appropriate limit state function a linear relation between the loading and the deflection is formed. For the reliability analysis an algorithm has been developed for determination of limit state functions and iterations of the first order reliability method (FORM) procedure. By the method presented herein the multivariable analysis of a complicated reliability problem is reduced to an S-R problem. The procedure for iterations has been tested by a known problem for the purpose of avoiding convergence problems. The reliability indices for many cases have been obtained and also the effects of the coefficient of variation of load and resistance have been investigated.
In the case of seismic-resistant composite dual moment resisting and eccentrically braced frames, the current design practice is to avoid the disposition of shear connectors in the expected plastic zones, and consequently to consider a symmetric moment or shear plastic hinges, which occur only in the steel beam or link. Even without connectors, the real behaviour of the hinge may be different from the symmetric assumption, since the reinforced concrete slab is connected to the steel element close to the hinge locations, and also due to contact friction between the concrete slab and the steel element. The paper presents the results and conclusions of experimental tests on composite portal eccentrically braced frames and beam-to-column moment-resisting joints, carried out within the CEMSIG Research Centre of the Politehnica University of Timisoara, in order to check the validity of the assumption stated above. Reference steel and composite specimens with and without connectors in the plastic zones have been tested under monotonic and cyclic seismic type loading.
Incremental dynamic analysis (IDA) widely uses for the collapse risk assessment procedures of buildings. In this study, an IDA-based collapse risk assessment methodology is proposed, which employs a novel approach for detecting the near-collapse (NC) limit state. The proposed approach uses the modal pushover analysis results to calculate the maximum inter-story drift ratio of the structure. This value, which is used as the upper-bound limit in the IDA process, depends on the structural characteristics and global seismic responses of the structure. In this paper, steel midrise intermediate moment resisting frames (IMRFs) have selected as case studies, and their collapse risk parameters are evaluated by the suggested methodology. The composite action of a concrete floor slab and steel beams, and the interaction between the infill walls and the frames could change the collapse mechanism of the structure. In this study, the influences of the metal deck floor and autoclaved aerated concrete (AAC) masonry infill walls with uniform distribution are investigated on the seismic collapse risk of the IMRFs using the proposed methodology. The results demonstrate that the suggested modified IDA method can accurately discover the near-collapse limit state. Also, this method leads to much fewer steps and lower calculation costs rather than the current IDA method. Moreover, the results show that the concrete slab and the AAC infill walls can change the collapse parameters of the structure and should be considered in the analytical modeling and the collapse assessment process of the steel mid-rise intermediate moment resisting frames.
In the present paper, a Monte Carlo-based framework is developed to investigate the accuracy and reliability of analytical fragility curves of steel moment-resisting frames and simple SDOF systems. It is also studied how the effectiveness of incremental dynamic analysis (IDA) and multiple stripes analysis (MSA) approaches, as two common nonlinear dynamic analysis methods, are influenced by the number of records and analysis stripes in fragility curves producing. Results showed that the simple SDOF systems do not provide accurate and reliable fragility curves compared with realistic steel moment-resisting structures. It is demonstrated that, the effectiveness of nonlinear dynamic analysis approaches is dependent on the fundamental period of structures, where in short-period structures, IDA is found to be more effective approach compared with MSA. This difference between the effectiveness of two analysis approaches decreases as the fundamental period of structures become longer. Using of 2 or 3 analysis stripes in MSA approach leads to significant inaccuracy and unreliability in the estimated fragility curves. Additionally, 15 number of ground motion records is recommended as a threshold of significant unreliability in estimated fragility curves, constructed by MSA.
Reyes-Salazar, Alfredo;Juarez-Duarte, Jose A.;Lopez-Barraza, Arturo;Velazquez-Dimas, Juan I.
Steel and Composite Structures
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v.4
no.3
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pp.189-209
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2004
The commonly used seismic design procedures to evaluate the maximum effect of both horizontal components of earthquakes, namely, the Square Root of the Sum of the Squares (SRSS) and the 30-percent (30%) combination rules, are re-evaluated. The maximum seismic responses of four three-dimensional moment resisting steel frames, in terms of the total base shear and the axial loads at interior, lateral and corner columns, are estimated as realistically as possible by simultaneously applying both horizontal components. Then, the abovementioned combination rules and others are evaluated. The numerical study indicates that both, the SRSS rule and the 30% combination method, may underestimate the combined effect. It is observed that the underestimation is more for the SRSS than for the 30% rule. In addition, the underestimation is more for inelastic analysis than for elastic analysis. The underestimation cannot be correlated with the height of the frames or the predominant period of the earthquakes. A basic probabilistic study is performed in order to estimate the accuracy of the 30% rule in the evaluation of the combined effect. Based on the results obtained in this study, it is concluded that the design requirements for the combined effect of the horizontal components, as outlined in some code-specified seismic design procedures, need to be modified. New combination ways are suggested.
Park, Ji-Woong;Rhee, Doo-Jae;Chang, Suong-Su;Hu, Jong-Wan
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.3
no.3
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pp.9-21
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2012
Concrete filled steel tube (CFT) columns have been widely used in moment resisting frame structures both in seismic zones. This paper discusses the design of such members based on the advanced methods introduced in the 2005 AISC Specification and the 2005 Seismic Provisions. This study focuses particularly on design following both linear and nonlinear methods utilizing equivalent static and dynamic loads for low-rise moment frames. The paper begins with an examination of the significance of pseudo-elastic design interaction equations and the plastic ductility demand ratios due to combined axial compressive force and bending moment in CFT members. Based on advanced computational simulations for a series of five-story composite moment frames, this paper then investigates both building performance and new techniques to evaluate building damage during a strong earthquake. It is shown that 2D equivalent static analyses can provide good design approximations to the force distributions in moment frames subjected to large inelastic lateral loads. Dynamic analyses utilizing strong ground motions generally produce higher strength ratios than those from equivalent static analyses, but on more localized basis. In addition, ductility ratios obtained from the nonlinear dynamic analysis are sufficient to detect which CFT columns undergo significant deformations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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