In this research, an earthquake-resistant structural system consisting of a pin-connected steel frame and a bracing with metallic fuses is proposed. Contrary to the conventional braced frames, the main structural elements are deemed to remain elastic under earthquakes and the seismic energy is efficiently dissipated by the damper-braces with an amplification mechanism. The superiority of the proposed damping system lies in easy manufacture, high yield capacity and energy dissipation, and an effortless replacement of damaged fuses after earthquake events. Furthermore, the stiffness and the yield capacity are almost decoupled in the proposed damper-brace which makes it highly versatile for performance-based seismic design compared to most other dampers. A special attention is paid to derive the theoretical formulation for nonlinear behavior of the proposed damper-brace, which is verified using analytical results. Next, a direct displacement-based design procedure is provided for the proposed system and an example structure is designed and analyzed thoroughly to check its seismic performance. The results show that the proposed system designed with the provided procedure satisfies the given performance objective and can be used for developing highly efficient low-damage structures.
Sisi Chao;Guanqi Lan;Hua Huang;Huiping Liu;Chenghua Li
Steel and Composite Structures
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v.51
no.3
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pp.289-304
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2024
The seismic performance of traditional steel frame-shear wall structures was significantly improved by the application of self-centering steel-reinforced concrete (SRC) wall-panel structures in the steel frames. This novel resilience functionality can rapidly restore the structure after an earthquake. The presented steel frame with steel-reinforced concrete self-centering wall-panel structures (SF-SCW) was validated, indicating its excellent seismic performance. The seismic design method based on bear capacity cannot correctly predict the elastic-plastic performance of the structure, especially certain weak floors that might be caused by a major fracture. A four-level seismic performance index, including intact function, continued utilization, life safety, and near-collapse, was established to achieve the ideal failure mode. The seismic design method, based on structural displacement, was proposed by considering performance objectives of the different seismic action levels. The pushover analysis of a six-floor SF-SCW structure was carried out under the proposed design method and the results showed that this six-floor structure could achieve the predicted failure mode.
The purpose of this study is to reduce seismic responses of an actual nuclear piping system using a tuned mass damper (TMD) device. A numerical piping model was developed and validated based on shaking table test results with actual nuclear piping. A TMD for nuclear piping was newly devised in this work. A TMD shape design suitable for nuclear piping systems was conducted, and its operating performance was verified after manufacturing. The response reduction performance of the developed TMD under earthquake loading on actual piping was investigated. Results confirmed that, on average, seismic response reduction rates of 34% in the maximum acceleration response, 41% in the root mean square acceleration response, and 57% in the spectral acceleration response were shown through the TMD application. This developed TMD operated successfully within the seismic response reduction rate of existing TMD optimum design values. Therefore, the developed TMD and dynamic interpretation help improve the nuclear piping's seismic performance.
Quinde, Pablo;Reinoso, Eduardo;Teran-Gilmore, Amador;Ramos, Salvador
Earthquakes and Structures
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v.17
no.6
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pp.577-590
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2019
The seismic response of structures to strong ground motions is a complex problem that has been studied for decades. However, most of current seismic regulations do not assess the potential level of damage that a structure may undergo during a strong earthquake. This will happen in spite that the design objectives for any structural system are formulated in terms of acceptable levels of damage. In this article, we analyze the expected damage in single-degree-of-freedom systems subjected to long-duration ground motions generated in soft soil sites, such as those located in the lakebed of Mexico City. An energy-based methodology is formulated, under the consideration of input energy as the basis for the evaluation process, to estimate expected damage. The results of the proposed methodology are validated with damage curves established directly with nonlinear dynamic analyses.
Bafti, Farzad Ghaderi;Mortezaei, Alireza;Kheyroddin, Ali
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.6
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pp.651-665
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2019
Past earthquakes have shown that appropriately designed and detailed buildings with shear walls have great performance such a way that a considerable portion of inelastic energy dissipation occurs in these structural elements. A plastic hinge is fundamentally an energy diminishing means which decrease seismic input energy through the inelastic deformation. Plastic hinge development in a RC shear wall in the areas which have plastic behavior depends on the ground motions characteristics as well as shear wall details. One of the most generally used forms of structural walls is flanged RC wall. Because of the flanges, these types of shear walls have large in-plane and out-of-plane stiffness and develop high shear stresses. Hence, the purpose of this paper is to evaluate the main characteristics of these structural components and provide a more comprehensive expression of plastic hinge length in the application of performance-based seismic design method and promote the development of seismic design codes for shear walls. In this regard, the effects of axial load level, wall height, wall web and flange length, as well as various features of earthquakes, are examined numerically by finite element methods and the outcomes are compared with consistent experimental data. Based on the results, a new expression is developed which can be utilized to determine the length of plastic hinge area in the flanged RC shear walls.
When eccentrically braced steel frames (EBFs) are in the desired failure mode, links yield at each layer and column bases appear plastically hinged. Traditional design methods cannot accurately predict the inelastic behavior of structures owing to the use of capacity-based design theory. This paper proposes the use of performance-based seismic design (PBSD) method for planning eccentrically braced frames. PBSD can predict and control inelastic deformation of structures by target drift and failure mode. In buildings designed via this process, all links dissipate energy in the rare event of an earthquake, while other members remain in elastic state, and as the story drift is uniform along the structure height, weak layers will be avoided. In this condition, eccentrically braced frames may be more easily rehabilitated after the effects of an earthquake. The effectiveness of the proposed method is illustrated through a sample case study of ten-story K-type EBFs and Y- type EBFs buildings, and is validated by pushover analysis and dynamic analysis. The ultimate state of frames designed by the proposed method will fail in the desired failure mode. That is, inelastic deformation of structure mainly occurs in links; each layer of links involved dissipates energy, and weak layers do not exist in the structure. The PBSD method can provide a reference for structural design of eccentrically braced steel frames.
Astarlioglu, Serdar;Memari, Ali M.;Scanlon, Andrew
Structural Engineering and Mechanics
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v.10
no.4
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pp.405-426
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2000
Two approximate methods based on mechanism analysis suitable for seismic assessment/design of structural concrete are reviewed. The methods involve use of equal energy concept or equal displacement concept along with appropriate patterns of inelastic deformations to relate structure's maximum lateral displacement to member and plastic deformations. One of these methods (Clough's method), defined here as a ductility-based approach, is examined in detail and a modification for its improvement is suggested. The modification is based on estimation of maximum inelastic displacement using inelastic design response spectra (IDRS) as an alternative to using equal energy concept. The IDRS for demand displacement ductilities are developed for a single degree of freedom model subjected to several accelerograms as functions of response modification factor (R), damping ratios, and strain hardening. The suggested revised methodology involves estimation of R as the ratio of elastic strength demand to code level demand, and determination of design base shear using $R_{design}{\leq}R$ and maximum displacement, determination of plastic displacement using IDRS and subsequent local plastic deformations. The methodology is demonstrated for the case of a 10-story precast wall panel building.
As an alternative to current conventional force-based assessment methods, the energy-based seismic performance of a code-designed 20-storey high-rise steel building is evaluated in this paper. Using 3D nonlinear dynamic time-history method with consideration of additional material damping effect, the influences of different restoring force models and P-${\Delta}/{\delta}$ effects on energy components are investigated. By combining equivalent viscous damping and hysteretic damping ratios of the structure subjected to strong ground motions, a new damping model, which is amplitude-dependent, is discussed in detail. According to the analytical results, all energy components are affected to various extents by P-${\Delta}/{\delta}$ effects and a difference of less than 10% is observed; the energy values of the structure without consideration of P-${\Delta}/{\delta}$ effects are larger, while the restoring force models have a minor effect on seismic input energy with a difference of less than 5%, but they have a certain effect on both viscous damping energy and hysteretic energy with a difference of about 5~15%. The paper shows that the use of the hysteretic energy at its ultimate state as a seismic design parameter has more advantages than seismic input energy since it presents a more stable value. The total damping ratio of a structure consists of viscous damping ratio and hysteretic damping ratio and it is found that the equivalent viscous damping ratio is a constant for the structure, while the equivalent hysteretic damping ratio approximately increases linearly with structural response in elasto-plastic stage.
The goal of energy-based seismic design is to obtain a structural design with a higher energy dissipation capacity than the energy dissipation demands incurred under earthquake motions. Accurate estimation of the story hysteretic energy demand of a multi-story structure is the key to meeting this goal. Based on the assumption of a mode-equivalent single-degree-of-freedom system, the energy equilibrium relationship of a multi-story structure under seismic action is transformed into that of a multi-mode analysis of several single degree-of-freedom systems. A simplified equation for the estimation of the story seismic hysteretic energy demand was then derived according to the story shear force and deformation of multi-story buildings, and the deformation and energy relationships between the mode-equivalent single-degree-of-freedom system and the original structure. Sites were categorized into three types based on soil hardness, namely, hard soil, intermediate hard (soft) soil, and soft soil. For each site type, a 5-story and 10-story reinforced concrete frame structure were designed and employed as calculation examples. Fifty-six earthquake acceleration records were used as horizontal excitations to validate the accuracy of the proposed method. The results verify the following. (1) The distribution of seismic hysteretic energy along the stories demonstrate a degree of regularity. (2) For the low rise buildings, use of only the first mode shape provides reasonably accurate results, whereas, for the medium or high rise buildings, several mode shapes should be included and superposed to achieve high precision. (3) The estimated hysteretic energy distribution of bottom stories tends to be underestimated, which should be modified in actual applications.
Performance-based seismic design allows a structure to develop inelastic response during earthquakes. This modern seismic design requires more clearly defined levels of inelastic response. The ultimate deformation of a structure without total collapse (target displacement) is used to obtain the inelastic deformation capacity (inelastic performance). The inelastic performance of a structure indicates its performance under excitation. In this study, a new energy-based method to obtain the target displacement for reinforced concrete frames under cyclic loading is proposed. Concrete structures were analyzed using nonlinear static (pushover) analysis and cyclic loading. Failure of structures under cyclic loading was controlled and the new method was tested to obtain target displacement. In this method, the capacity energy absorption of the structures for both pushover and cyclic analyses were considered to be equal. The results were compared with FEMA-356, which confirmed the accuracy of the proposed method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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