A concentrically braced steel frame is a very efficient structural system because it requires relatively smaller amount of materials to resist lateral forces. However, primarily developed as a structural system to resist wind loads based on an assumption that the structure behaves elastically, a concentrically braced frame possibly experiences the deterioration in energy dissipation after brace buckling and the brittle failure of braces and connections when earthquake loads cause inelastic behavior. Consequently, plastic deformation is concentrated in the floor where brace buckling occurs first, which can lead to the rupture of the structure. This study suggests reinforcing H-shaped braces with non-welded cold-formed stiffeners to restrain flexure and buckling and resist tensile force and compressive force equally.
This paper describes analytical investigation into a new dual function system including a couple of shear links which are connected in series using chevron bracing capable to correlate its performance with magnitude of earthquakes. In this proposed system, called Chevron Knee-Vertical Link Beam braced system (CK-VLB), the inherent hysteretic damping of vertical link beam placed above chevron bracing is exclusively utilized to dissipate the energy of moderate earthquakes through web plastic shear distortion while the rest of the structural elements are in elastic range. Under strong earthquakes, plastic deformation of VLB will be halted via restraining it by Stopper Device (SD) and further imposed displacement subsequently causes yielding of the knee elements located at the bottom of chevron bracing to significantly increase the energy dissipation capacity level. In this paper first by studying the knee yielding mode, a suitable shape and angle for diagonal-knee bracing is proposed. Then finite elements models are developed. Monotonic and cyclic analyses have been conducted to compare dissipation capacities on three individual models of passive systems (CK-VLB, knee braced system and SPS system) by General-purpose finite element program ABAQUS in which a bilinear kinematic hardening model is incorporated to trace the material nonlinearity. Also quasi-static cyclic loading based on the guidelines presented in ATC-24 has been imposed to different models of CK-VLB with changing of vertical link beam section in order to find prime effectiveness on structural frames. Results show that CK-VLB system exhibits stable behavior and is capable of dissipating a significant amount of energy in two separate levels of lateral forces due to different probable earthquakes.
Rodgers, Geoffrey W.;Chase, J. Geoffrey;Corman, Sylvain
Smart Structures and Systems
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v.19
no.5
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pp.487-497
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2017
Semi-active devices use the building's own motion to produce resistive forces and are thus strictly dissipative and require little power. Devices that independently control the binary open/closed valve state can enable novel device hysteresis loops that were not previously possible. However, some device hysteresis loops cannot be obtained without active analog valve control allowing slower, controlled release of stored energy, and is presents an ongoing limitation in obtaining the full range of possibilities offered by these devices. This in silico study develops a proportional-derivative feedback control law using a validated nonlinear device model to track an ideal diamond-shaped force-displacement response profile using active analog valve control. It is validated by comparison to the ideal shape for both sinusoidal and random seismic input motions. Structural application specific spectral analysis compares the performance for the non-linear, actively controlled case to those obtained with an ideal, linear model to validate that the potential performance will be retained when considering realistic nonlinear behaviour and the designed valve control approach. Results show tracking of the device force-displacement loop to within 3-5% of the desired ideal curve. Valve delay, rather than control law design, is the primary limiting factor, and analysis indicates a ratio of valve delay to structural period must be 1/10 or smaller to ensure adequate tracking, relating valve performance to structural period and overall device performance under control. Overall, the results show that active analog feedback control of energy release in these devices can significantly increase the range of resetable, valve-controlled semi-active device performance and hysteresis loops, in turn increasing their performance envelop and application space.
Unlike field-welded moment frames damaged during the Northridge earthquake, a column-tree moment frame has a tool to control and reduce its seismic behavior. The tool is the girder splice. Girder splices could be designed to be sufficiently ductile and to have a prescribed bending moment capacity. In such a design, during earthquakes, the girder splices would act as ductile "fuses" and limit the magnitude of forces including the bending moment that could be developed in the frame. In Korea, most moment frames arc composed of a column-tree moment frame. Therefore, the elasto-plastic behavior of steel beams with high strength bolted friction splice should be clarified. Furthermore, structural capacities, including energy absorption capacity, must be quantitatively found. This paper discusses an experimental study to clarify elasto-plastic behavior of steel beams with high strength bolted friction splices. A total of 5 specimens were tested. A specimen was fabricated to have a beam splice designed by a full strength method. Other specimens were fabricated to have beam splices with 75%, 50% and 0% capacities compared with the specimen.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.3
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pp.48-54
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2015
In this study, we propose an innovative lateral force distribution building system between tall buildings by utilizing the difference of moment of inertia, resulting the reduction of lateral displacement and the lateral forces in terms of an alternative for the dense human and increased cost of lands in highly integrated city area. A successive collapse prevention means by providing additional bearing plate between connections is proposed. In addition to that, a more economical vibration reduction is expected due to the suggested tuned mass damper on the surface of spacial structure. In the considered verification examples, reduced drifts at the top location of the building systems are validated against static wind pressure loads and static earthquake loads. The suggested hybrid building system will improve the safety and reliability of the new or existing building system in terms of more than 30% reduced drift and vibration through the development of convergence of tall buildings and spatial structures.
Mononobe-Okabe method is generally used to evaluate dynamic earth pressure for the seismic design of retaining walls. However, Mononobe-Okabe method does not consider the effects of dynamic interactions between backfill soil and walls. In this research, shaking table tests on retaining walls were performed to analyze the phase and magnitude of dynamic earth pressure. The unit weight of walls, the amplitude of input acceleration and the base friction coefficient of walls were varied to analyze the influence of these factors on the dynamic earth pressure. Test results showed that the dynamic earth pressure was 180 degrees out of phase with the wall inertia force for the low sliding velocity of the wall, whereas small peaks of the dynamic earth pressure, which are in phase with the wall inertia force, were developed for the high sliding velocity of the wall. The amplitude of dynamic earth pressure was proportional to that of wall acceleration and the unit weight of the wall. In addition, the dynamic earth forces calculated by the Mononobe-Okabe method were the upper limit of the dynamic earth pressures.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.18
no.1
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pp.45-53
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2018
Following the earthquake that shook the city of Gyeongju, Korea, in 2016, it became apparent that research on the safety of cultural heritages against the seismic hazards is necessary in Korea. Predictions of how historically significant stone pagodas would behave the earthquakes anticipated in near future, which are the subject of this study, is also required. In this study, the dynamic characteristics of 15 cultural heritage designated stone pagodas of Korea were investigated, including natural frequency and damping ratio, and the stiffness of the stone material and its contact area were determined using eigenvalue analysis by assuming the stone pagodas to be multi-degree-of-freedom structures. The results of this study enable the structural modeling of stone pagodas using a finite element analysis program and the method is expected to be useful in assessing the structural safety of stone pagodas against vertical loads as well as lateral forces, including earthquakes. Also, by identifying the dynamic characteristics of the structures, the results of this study can be utilized as a nondestructive testing method to determine the rigidity of cultural heritage structures and to identify inherent problems. The natural frequencies of the Korean stone pagodas were measured to be within 3.5~8.3Hz, excluding cases with distinct natural frequency results, and it was determined that the natural frequencies of the stone pagodas are influenced by various parameters including the height and joint stiffness of the structures.
Liquefaction occurs by a temporal loss of sediment strength as a consequence of increased pore water pressure during the re-arrangement of unconsolidated, granular sediments. Liquefaction is dependent on the physical properties of the sediments and cause surface cracks, landslide, and the formation of soft-sediment deformation structures(SSDS). SSDS is formed by the combined action of the driving force and deformation mechanism(liquefaction, thixotropy, and fluidization) that is triggered by endogenic or exogenic triggers. So research on the SSDS can unravel syndepositional geological events. If detailed sedimentologic analysis together with surrounding geological context suggest SSDS formed by earthquakes, the SSDS provide a clue to unravel syndepositional tectonic activities and detailed paleoseismological information(> Mw 5) including earthquakes that leave no surface expression.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.6
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pp.427-435
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2020
Modular structures are relatively lightweight compared to reinforced-concrete or steel structures. However, it is difficult to achieve structural integrity between the columns of unit modules in a modular structure, which causes undesirable effects on the lateral force resistance capacity against wind and earthquake loads. This is more prominent in modular structures whose overall heights are greater. Hence, a post-tensioned modular structural system is proposed herein to improve the lateral force resistance capacity of a typical modular structure. A post-tensioned column-base connection, which is the main component of the proposed modular structural system, is configured with shapes and characteristics that allow inducing self-centering behaviors. Finite element analysis was then performed to investigate the hysteretic behaviors of the post-tensioned column-base connection. The analysis results show that the hysteretic behaviors are significantly affected by the initial tension forces and beam-column connection details at the base.
Elwardany, Hytham;Mosa, Beshoy;Khedr, M. Diaa Eldin;Seleemah, Ayman
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.2
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pp.153-166
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2022
Structural pounding due to strong seismic excitations can result in severe damage or even collapse of colliding structures. Many researchers focused on studying the mutual pounding between two adjacent structures while very few researches were concerned with the pounding of a series of structures. This paper aims to study the pounding effect on a series of four buildings having different natural frequencies. The paper also investigates the effect of different arrangements of the four buildings on their pounding response. For this, a mathematical model was constructed using Matlab code where, pounding was modeled using a contact force-based approach. A Non-Linear viscoelastic (Hertzdamp) contact element was used and activated only during the approach period of collision. The mathematical model was validated by comparing its prediction versus experimental results on three adjacent buildings. Then the model was used to study the pounding between four adjacent structures arranged in different sequences according to their natural frequencies. The results revealed that increasing the gap distance generally led to decrease the peak responses of the towers. Such response is somehow different from that predicted earlier by the authors for the case of three adjacent buildings. Moreover, the arrangement of towers has a significant effect on their pounding response. Significant difference between the natural frequencies of adjacent structures increases the pounding forces especially when the more flexible buildings are located at the outer edge of the series. The study points out the need for further researches on buildings in series to gain a better understanding of such complex phenomena.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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