In this study an innovative rocking zipper braced frame (RZBF) is proposed to overcome the deficiencies of common concentrically braced frames. RZBF is an improved rocking concentrically braced frame which is based on combination of rocking behavior and zipper columns. The base rocking joints and post-tensioned bars provide rocking response and restoring force, respectively. Also, zipper columns distribute the unbalance force over the frame height and reduce the damage concentration. To evaluate seismic performance of RZBF, a comparison study is carried out considering concentrically braced frame, zipper braced frame, rocking concentrically braced frame and RZBF. Thereby, a suite of non-linear time history analyses had been performed on four different types of archetypes with four, six, eight, ten and twelve stories. Frames were designed and non-linear time history analyses were conducted in OpenSees. To compare the seismic behavior of the archetypes, roof drifts, residual roof drifts, story drifts, the forces of first and top story braces, PT bars forces, column uplift and base shears were taken in to consideration. Results illustrate that using RZBF, can reduce the damage due to reduced residual drifts. Zipper columns enhance the seismic performance of rocking systems. As the number of stories increase in the RZBF systems, larger top story braces were needed. So the RZBF system is applicable on low and midrise buildings.
Denise-Penelope N. Kontoni;Ali Ghamari;Chanachai Thongchom
Steel and Composite Structures
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v.47
no.2
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pp.185-201
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2023
Despite the high lateral stiffness and strength of the Concentrically Braced Frame (CBF), due to the buckling of its diagonal members, it is not a suitable system in high seismic regions. Among the offered methods to overcome the shortcoming, utilizing a metallic damper is considered as an appropriate idea to enhance the behavior of Concentrically Braced Frames (CBFs). Therefore, in this paper, an innovative steel damper is proposed, which is investigated experimentally and numerically. Moreover, a parametrical study was carried out to evaluate the effect of the mechanism (shear, shear-flexural, and flexural) considering buckling mode (elastic, inelastic, and plastic) on the behavior of the damper. Besides, the necessary formulas based on the parametrical study were presented to predict the behavior of the damper that they showed good agreement with finite element (FE) results. Both experimental and numerical results confirmed that dampers with the shear mechanism in all buckling modes have a better performance than other dampers. Accordingly, the FE results indicated that the shear damper has greater ultimate strength than the flexural damper by 32%, 31%, and 56%, respectively, for plates with elastic, inelastic, and plastic buckling modes. Also, the shear damper has a greater stiffness than the flexural damper by 43%, 26%, and 53%, respectively, for dampers with elastic, inelastic, and plastic buckling modes.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.1
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pp.111-119
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2010
Many researchers have studied on the optimal seismic design with the development of the computer. So far the application structure of most researches on the optimal seismic design was almost the moment resisting frame. Because the braced frames are the representative lateral load resisting system with the moment resisting frames, it is estimated that the effect on the practice will be great if it can is provided a design guideline through the development of optimal seismic design model for the braced frames. The purpose of this study is to propose the optimal seismic design model for the inverted V-type special concentrically braced frames considering the buckling of braces. The objective functions of this are to minimize the structural weight and maximize the total dissipated energy of the structure and the constraints of this are the strength conditions for the column, beam, brace and inter-story drifts condition. To verify the proposed model, it is applied to 2D steel concentrically braced frames of 3-story and 9-story.
Larijan, Reza Jalali;Nasserabadi, Heydar Dashti;Aghayan, Iman
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.6
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pp.755-763
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2017
In this study, the susceptibility of different symmetric steel buildings with dual frame system to Progressive Collapse (PC) was assessed. Some ten-story dual frame systems with different type of braced frames (concentrically and eccentrically braced frames) were considered. In addition, numbers and locations of braced bays were investigated (two and three braced bays in exterior frames) to quantitatively find out its effect on PC resistance. An Alternate Path Method (APM) with a linear static analysis was carried out based on General Services Administration (GSA 2003) guidelines. Maximum Demand Capacity Ratio (DCR) for the elements (beams and columns) with highest DCRs ($DCR_{moment}$ and $DCR_{shear}$) is given in tables. The results showed that the three braced bays with concentric braced frames especially X-braced and inverted V-braced frame systems had a lower susceptibility and greater resistance to PC. Also, the results represented that the beams were more critical than columns against PC after the removal of column.
Self-centering concentrically braced frames (SCCBFs) are emerging as high performance seismically resistant braced framing system, due to the capacity of withstanding strong earthquake attacks and promptly recovering after events. To get a further insight into the seismic performance of SCCBFs, systematical evaluations are currently conducted from the perspective of modal contributions. In this paper, the modal pushover analysis (MPA) approach is utilized to obtain the realistic seismic demands by summarizing the contribution of each single vibration mode. The MPA-based results are compared with the exact results from nonlinear response history analysis. The adopted SCCBFs originate from existing buckling-restrained braced frames (BRBF), which are also analyzed for purpose of comparison. In the analysis of these comparable framing systems, interested performance indices that closely relate to the structural damage degree include the interstory drift ratio, floor acceleration, and absorbed hysteretic energy. The study shows that the MPA approach produces acceptable predictions in comparison to the exact results for SCCBFs. In addition, the high-modes effect on the seismic behavior increases with the building height, and is more evident in the SCCBFs than the BRBFs.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.1
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pp.13-24
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2023
In this study, alternative seismic force-resisting systems for plant structure supporting equipment were designed, and the seismic performance thereof was compared using nonlinear dynamic analysis. One alternative seismic force-resisting system was designed per the requirement for ordinary moment-resisting and concentrically braced frames but with a reduced base shear. The other seismic force-resisting system was designed by accommodating seismic details of intermediate and unique moment-resisting frames and special concentrically braced frames. Different plastic hinge models were applied to ordinary and ductile systems based on the validation using existing test results. The control model obtained by code-based flexible design and/or reduction of base shear did not satisfy the seismic performance objectives, but the alternative structural system did by strengthened panel zones and a reduced effective buckling length. The seismic force to equipment calculated from the nonlinear dynamic analysis was significantly lower than the equivalent static force of KDS 41 17 00. The comparison of design alternatives showed that the seismic performance required for a plant structure could be secured economically by using performance-based design and alternative seismic-force resisting systems adopting minimally modified seismic details.
This research aims to investigate the structural behavior of concentrically braced frames after element loss by performing nonlinear static and dynamic analyses such as Time History Analysis (THA), Pushdown Analysis (PDA), Vertical Incremental Dynamic Analyses (VIDA) and Performance-Based Analysis (PBA). Such analyses are to assess the potential and capacity of this structural system for occurrence of progressive collapse. Besides, by determining the Failure Overload Factors (FOFs) and associated failure modes, it is possible to relate the results of various types of analysis in order to save the analysis time and effort. Analysis results showed that while VIDA and PBA according to FEMA 356 are mostly similar in detecting failure mode and FOFs, the Pushdown Overload Factors (PDOFs) differ from others at most to the rate of 23%. Furthermore, by sensitivity analysis it was observed that among the investigated structures, the eight-story frame had the most FOF. Finally, in this research the trend of FOF and the FOF to critical member capacity ratio for the plane split-X braced frames were introduced as a function of the number of frame stories.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2005.03a
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pp.129-136
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2005
Concentrically braced steel frames are considered as being quite prone to soft-story response due to the degradation in brace compressive resistance after buckling under severe ground motions. When combined with the system P-Delta effects, collapse of the concentrically braced frames by dynamic instability becomes a highly probable. In this study, a new, relatively simple dynamic instability coefficient was proposed for diagonally braced steel frames by considering the strength degradation of the brace after buckling. Nonlinear dynamic analysis was conducted to check the robustness of the proposed index based on simulated ground motions. The analysis results showed that the dynamic instability index proposed predicts the collapse potential more consistently than the conventional one. Dynamic instability was triggered when the index value was close to 0.7.
Hassan, M.S.;Salawdeh, S.;Hunt, A.;Broderick, B.M.;Goggins, J.
Advances in Computational Design
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v.3
no.3
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pp.233-267
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2018
Conventional seismic design of concentrically braced frame (CBF) structures suggests that the gusset plate connecting a steel brace to beams and/or columns should be designed as non-dissipative in earthquakes, while the steel brace members should be designed as dissipative elements. These design intentions lead to thicker and larger gusset plates in design on one hand and a potentially under-rated contribution of gusset plates in design, on the other hand. In contrast, research has shown that compact and thinner gusset plates designed in accordance with the elliptical clearance method rather than the conventional standard linear clearance method can enhance system ductility and energy dissipation capacity in concentrically braced steel frames. In order to assess the two design methods, six cyclic push-over tests on full scale models of concentric braced steel frame structures were conducted. Furthermore, a 3D finite element (FE) shell model, incorporating state-of-the-art tools and techniques in numerical simulation, was developed that successfully replicates the response of gusset plate and bracing members under fully reversed cyclic axial loading. Direct measurements from strain gauges applied to the physical models were used primarily to validate FE models, while comparisons of hysteresis load-displacement loops from physical and numerical models were used to highlight the overall performance of the FE models. The study shows the two design methods attain structural response as per the design intentions; however, the elliptical clearance method has a superiority over the standard linear method as a fact of improving detailing of the gusset plates, enhancing resisting capacity and improving deformability of a CBF structure. Considerations were proposed for improvement of guidelines for detailing gusset plates and bracing members in CBF structures.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.1
s.41
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pp.33-42
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2005
Even in moderate to low seismic regions like Korean peninsular where wind loading usually governs the structural design of a tall builidng, the probable structural impact of the 500-year design basis earthquake (DBE) or the 2400-year maximum credible earthquake (MCE) on the selected structural system should be considered at least in finalizing the design. In this study, seismic performance evaluation was conducted for concentrically braced steel highrise buildings that were only designed for wind by following the assumed domestic design practice. It was found that wind-designed concentrically braced steel highrise buildings possess significantly increased elastic seimsic capacity due to the system overstrength resulting from the wind-serviceability criterion and the width-to-thickness ratio limits on steel members. The strength demand-to-strength capacity study based on the response spectrum analysis revealed that, due to the system overstrength factors mentioned above, wind-designed concentrically braced steel highrise buildings having a slenderness ratio of larger than six can withstand elastically even the maximum credible earthquake at the performance level of immediate occupancy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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