Concentrically braced steel frames are considered as being quite pone 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 brsced frames by dynamic instability becomes highly probable. In this stidy, a new, relatively simple dynamic instability coefficient was proposed for diagonally braced steel flames by explicitly considering the strength degradation of the brace after buckling. Nonlinear dynamic analysis results showed that the dynamic instability coefficient proposed in this study predicted collapse limit state more consistently than the conventional one which ignores the strength degradation of the brace.
Husem, Metin;Demir, Serhat;Park, Hong G.;Cosgun, Suleyman I.
Structural Engineering and Mechanics
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제59권6호
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pp.1121-1137
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2016
A large number of structure in the world were build with poor seismic details, with or without any lateral load resisting system like concentrically braced frames and steel plate shear walls. These structures can reveal deteriorating hysteretic behaviors with stiffness and strength degradation. Therefore, seismic retrofitting of such structures for drift control has vital importance. In this study a retrofit methodology has been developed, which involves diagonal bracing of steel frames with different cable arrangements. In the experimental and numerical program 5 different lateral load resisting system were tested and results compared with each other. The results indicated that multi-cable arrangements suggested in this study showed stable ductile behavior without any sudden decrease in strength. Due to the usage of more than one diagonal cable, fracture of any cable did not significantly affect the overall strength and deformation capacity of the system. In cable braced systems damages concentrated in the boundary zones of the cables and beams. That is why boundary zone must have enough stiffness and strength to resist tension field action of cables.
The designer of a tall building even in moderate and low seismic regions should, in finalizing the desist consider the probable impact of the design basis earthquake on the selected structural system. In this study, seismic response analysis was conducted to evaluate the seismic performance of concentrically braced steel highrise buildings which were designed only for governing wind loading under moderate seismicity. The main purpose of this analysis was to see if the wind design would create a system whose elastic capacity clearly exceeds the probable demand as suggested by the design basis earthquake. The strength demand-to-capacity study revealed that the wind-designed steel highrise buildings with the aspect ratio of larger than five can withstand the design basis earthquake elastically by a sufficient margin due to the system over-strength resulting from the wind-serviceability criterion. The maximum story drift demand from the design basis earthquake was just 0.25% (or half the limit of Immediate Occupancy performance level in FEMA 273)
Even in moderate to low seismic regions like Korean peninsular where wind loading usually governs the structural design of a tall building, the probable structural impact of the design basis earthquake or the maximum credible earthquake on the selected structural system should be considered at least in finalizing the design. In this study, by using response spectrum analysis and linear time history analysis method, seismic performance evaluation was conducted for wind-designed concentrically braced steel highrise buildings. Both spectrum-compatible artificial accelerograms and recorded accelerograms were used as input ground motions for the time history analysis. The analysis results showed that wind-designed concentrically braced steel highrise buildings possess significantly increased elastic seismic capacity due to the system overstrength resulting from the wind-serviceability criterion and the width-to-thickness ratio limits on steel members. Time history analysis results generally tended to underestimate the seismic response as compared to those of response spectrum analysis.
Even in moderate to low seismic regions like Korean peninsular where wind loading usually governs the structural design of a tall building, the probable structural impact of the design basis earthquake or the maximum credible earthquake on the selected structural system should be considered at least in finalizing the design. In this study, by using response spectrum analysis and time history analysis method, seismic performance evaluation was conducted for wind-designed concentrically braced steel highrise buildings. Input ensemble was normalized to be compatible with expected peak ground acceleration. The analysis results showed that wind-designed concentrically braced steel highrise buildings possess significantly increased elastic seismic capacity due to the system overstrength resulting from the wind-serviceability criterion and the width-to-thickness ratio limits on steel members. The time history analysis tended to significantly underestimated the seismic response as compared to response spectrum analysis. Further detailed studies regarding selection and scaling scheme of input ground motions is needed.
보통중심가새골조는 단순한 설계절차를 갖는 이점이 있다. 이와 같은 이유로, 지진하중에 대한 내진성능이 다른 골조 시스템에 비해 크게 효과적이지 않음에도 불구하고 중간 또는 낮은 수준의 지진을 받는 소규모 골조 구조물에 널리 사용되어 왔다. 횡방향 지진 하에서 압축 거동에 대해 취약한 가새부재를 갖는 보통중심가새골조의 내진성능을 향상시키기 위해, 통상적으로 점성감쇠기에 의한 내진보강이 도입되어 왔다. 하지만, 점성감쇠기 자체는 일반적으로 구조물을 원래 위치로 복원시킬 수 있는 강성을 갖지 않는다. 이는 구조물에 잔류 변위를 유발시킬 수도 있다. 이 논문에서는 휨강성을 갖는 상·하부 보가 비선형-탄성 스프링 역할을 하여 외부 변위 이력을 받는 스프링-감쇠기 시스템을 원래 위치로 복원시키는 자가복원형 점성감쇠기 시스템이 개발되었다. 단순화된 골조 구조물에 대한 수치해석은 개발된 자가복원형 점성감쇠기 시스템을 포함할 경우 지진이 가해지는 동안 에너지 소산을 통해 어떻게 골조 구조물의 향상된 내진성능을 가져오는지 보여준다.
For Special Concentrically Braced Frame (SCBF), it is common that the damage concentrates at a certain story instead of spreading over all stories. Once the damage occurs, the soft-story mechanism is likely to take place and possibly to result in the failure of the whole system with more damage accumulation. In this study, we use a strongback column which is an additional structural component extending along the height of the building, to redistribute the excessive deformation of SCBF and activate more structural members to dissipate energy and thus avoid damage concentration and improve the seismic performance of SCBF. We tested one-third-scaled, three-story, double-story X SCBF specimens with static cyclic loading procedure. Three specimens, namely S73, S42 and S0, which represent different combinations of stiffness and strength factors ${\alpha}$ and ${\beta}$ for the strongback columns, were designed based on results of numerical simulations. Specimens S73 and S42 were the specimens with the strongback columns, and S0 is the specimen without the strongback column. Test results show that the deformation distribution of Specimen S73 is more uniform and more brace members in three stories perform nonlinearly. Comparing Drift Concentration Factor (DCF), we can observe 29% and 11% improvement in Specimen S73 and S42, respectively. This improvement increases the nonlinear demand of the third-story braces and reduces that of the first-story braces where the demand used to be excessive, and, therefore, postpones the rupture of the first-story braces and enhances the ductility and energy dissipation capacity of the whole SCBF system.
Nibellen structural system is a novel resilient bracing system based on the application of Bellville disks and Nitinol rods. The cyclic behavior of Nibellen assembly was obtained, and the design equations were developed based on the available literature. Seismic performance of the system was then studied analytically. Two groups of buildings with different lateral force resisting systems were designed and studied: one group with the Nibellen system, and the other with the special concentrically braced frame system. Each building group consisted of 5-, 10-, and 15-story buildings. The Design-Base-Event (DBE) and Maximum Considered Event (MCE) were considered as the seismic hazard, and a suite of seven ground motions were scaled accordingly for response history analyses. Finally, the resiliency of the buildings was studied by obtaining the functionality curve of the buildings before and after the seismic event. The construction cost of the 5-story building with Nibellen bracing system increased but the post-earthquake cost decreased significantly. The application of Nibellen system in the 10- and 15-story buildings reduced both the construction and repair costs, considerably. Resiliency of all the buildings was improved when Nibellen system was used as the lateral force resisting system.
The researches related to active control systems utilizing superelastic shape memory alloys (SMA) have been recently conducted to reduce critical damage due to lateral deformation after severe earthquakes. Although Superelastic SMAs undergo considerable inelastic deformation, they can return to original conditions without heat treatment only after stress removal. We can expect the mitigation of residual deformation owing to inherent recentering characteristics when these smart materials are installed at the part where large deformation is likely to occur. Therefore, the primary purpose of this research is to develop concentrically braced frames (CBFs) with superelastic SMA bracing systems and to evaluate the seismic performance of such frame structures. In order to investigate the inter-story drift response of CBF structures, 3- and 6-story buildings were design according to current design specifications, and then nonlinear time-history analyses were performed on numerical 2D frame models. Based on the numerical analysis results, it can be comparatively verified that the CBFs with superelastic SMA bracing systems have more structural advantages in terms of energy dissipation and recentering behavior than those with conventional steel bracing systems.
Despite the considerable lateral stiffness and strength of the Concentrically Braced Frame (CBF), it suffers from low ductility and low seismic dissipating energy capacity. The buckling of the diagonal members of the CBF systems under cyclic loading ended up to the shortcoming against seismic loading. Comprehensive researches have been performing to achieve helpful approaches to prevent the buckling of the diagonal member. Among the recommended ideas, metallic damper revealed a better success than other ideas to enhance the behavior of CBFs. While metallic dampers improve the behavior of the CBF system, they increase constructional costs. Therefore, in this paper, a new steel damper with flexural mechanism is proposed, which is investigated experimentally and numerically. Also, a parametrical revision was carried out to evaluate the effect of thickness, slenderness ratio, angle of the main plate, and height of the main plates on the proposed damper. For the parametrical study, 45 finite element models were analyzed and considered. Experimental results, as well as the numerical results, indicated that the proposed damper enjoys a stable hysteresis loop without any degradation up to a high rotation equal to around 31% that is significantly considerable. Moreover, it showed a suitable performance in case of ductility and energy dissipating. Besides, the necessary formulas to design the damper, the required relations were proposed to design the elements outside the damper to ensure the damper acts as a ductile fuse.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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