In this paper, a numerical simulation study was conducted on the seismic behavior and ductility demand of single-degree-of-freedom (SDOF) systems with partially self-centering hysteresis. Unlike fully self-centering systems, partially self-centering systems display noticeable residual displacement after unloading is completed. Such partially self-centering behavior has been observed in a number of recently researched self-centering structural systems with energy dissipation devices. It is thus of interest to examine the seismic performance such as ductility demand of partially self-centering systems. In this study, a modified flag-shaped hysteresis model with residual displacement is proposed to represent the hysteretic behavior of partially self-centering structural systems. A parametric study considering the effect of variations in post-yield stiffness ratio, energy dissipation coefficient, and residual displacement ratio on the displacement ductility demand of partially self-centering systems was conducted using a suite of 192 scaled ground motions. The results of this parametric study reveal that increasing the post-yield stiffness, energy dissipation coefficient or residual displacement ratio of the partially self-centering systems generally leads to reduced ductility demand, especially for systems with lower yield strength.
To realise the full benefits of a self-centering seismic resilient system, the designer must ensure that the entire structure does indeed re-center following an earthquake. The idealised flag-shaped hysteresis response that is often used to define the cyclic behaviour of self-centering concrete systems seldom exists and the residual drift of a building subjected to an earthquake is dependent on the realistic cyclic hysteresis response as well as the dynamic loading history. Current methods that are used to ensure that re-centering is achieved during the design of self-centering concrete systems are presented, and a series of cyclic analyses are used to demonstrate the flaws in these current procedures, even when idealised hysteresis models were used. Furthermore, results are presented for 350 time-history analyses that were performed to investigate the expected residual drift of an example self-centering concrete wall system during an earthquake. Based upon the results of these time-history analyses it was concluded that due to dynamic shake-down the residual drifts at the conclusion of the ground motion were significantly less than the maximum possible residual drifts that were observed from the cyclic hysteresis response, and were below acceptable residual drift performance limits established for seismic resilient structures. To estimate the effect of the dynamic shakedown, a residual drift ratio was defined that can be implemented during the design process to ensure that residual drift performance targets are achieved for self-centering concrete wall systems.
The latest earthquake's costly repairs and economic disruption were brought on by excessive residual drift. Self-centering systems are one of the most efficient ways in the current generation of seismic resistance system to get rid of and reduce residual drift. The mechanics and behavior of the self-centering system in response to seismic forces were impacted by a number of important factors. The amount of post-tensioning (PT) force, which is often employed for the standing posture after an earthquake, is the first important component. The energy dissipater element is another one that has a significant impact on how the self-centering system behaves. Using the damper as a replaceable and affordable tool and fuse in self-centering frames has been recommended to boost energy absorption and dampening of structural systems during earthquakes. In this research, the self-centering steel moment frame connections are equipped with cushion flexural dampers (CFDs) as an energy dissipator system to increase energy absorption, post-yielding stiffness, and ease replacement after an earthquake. Also, it has been carefully considered how to reduce permanent deformations in the self-centering steel moment frames exposed to seismic loads while maintaining adequate stiffness, strength, and ductility. After confirming the FE model's findings with an earlier experimental PT connection, the behavior of the self-centering connection using CFD has been surveyed in this study. The FE modeling takes into account strands preloading as well as geometric and material nonlinearities. In addition to contact and sliding phenomena, gap opening and closing actions are included in the models. According to the findings, self-centering moment-resisting frames (SF-MRF) combined with CFD enhance post-yielding stiffness and energy absorption with the least amount of permeant deformation in a certain CFD thickness. The obtained findings demonstrate that the effective energy dissipation ratio (β), is increased to 0.25% while also lowering the residual drift to less than 0.5%. Also, this enhancement in the self-centering connection with CFD's seismic performance was attained with a respectable moment capacity to beam plastic moment capacity ratio.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.331-336
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2008
An self-centering energy-dissipative (SCED) bracing system has recently been developed as a new seismic force resistant bracing system. The advantage of the SCED brace system is that, unlike other comparable advanced bracing systems that dissipate energy, such as the buckling restrained brace system, it has a self-centering capability that reduces or eliminates residual building deformations after major seismic events. In this study seismic performance of SCED braced frames is evaluated for a set of 20 design level earthquake records. According to analysis results the SCED systems showed more uniform interstory drift demand for buildings with 8 story or fewer. The residual deformation in SCED buildings turned out to be much less than that of moment-resisting frames.
This study proposes a novel longitudinal self-centering earthquake resistant system for reinforced concrete (RC) continuous bridges by using superelastic shape memory alloy (SMA) reinforcement and friction dissipation mechanism. The SMA reinforcing bars are implemented in the fixed piers to provide self-recentering forces, while the friction dampers are used at the movable substructures like end abutments to enhance the energy dissipation of the bridge system. A reasonable balance between self-centering and energy dissipation capacities should be well achieved by properly selecting the parameters of the SMA rebars and friction dampers. A two-span continuous bridge with one fixed pier and two abutments is chosen as a prototype for illustration. Different longitudinal earthquake resistant systems including the proposed one in this study are investigated and compared. The results indicate that compared with the designs of over-dissipation (e.g., excessive friction) and over-self-centering (e.g., pure SMAs), the proposed system with balanced design between self-centering and energy dissipation would perform satisfactorily in controlling both the peak and residual displacement ratios of the bridge system.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.12
no.4
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pp.35-44
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2008
A self-centering energy-dissipative(SCED) bracing system has recently been developed as a new seismic force resistant bracing system. The advantage of the SCED brace system is that, unlike other comparable advanced bracing systems that dissipate energy such as the buckling restrained brace(BRB) system, it has a self-centering capability that reduces or eliminates residual building deformations after major seismic events. In order to investigate the effects of torsion on the SCED brace and BRB systems, nonlinear time history analyses were used to compare the responses of 3D model structures with three different amounts of frame eccentricity. The results of the analysis showed that the interstory drifts of SCED braced frames are more uniform than those of BRB frames, without regard to irregularity. The residual drift and residual rotation responses tended to decrease as irregularity increased. For medium-rise structures, the drift concentration factors(DCFs) for SCED systems were lower than those for BRB frames. This means that SCED-braced frames deform in a more uniform manner with respect to building height. The effect of the torsional irregularity on the magnitude of the DCFs was small.
Akbar Nikzad;Alireza Kiani;Seyed Alireza Kazerounian
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.5
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pp.463-480
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2023
The buckling-restrained braced frames with eccentric configurations (BRBF-Es) exhibit stable cyclic behavior and possess a high energy absorption capacity. Additionally, they offer architectural advantages for incorporating openings, much like Eccentrically Braced Frames (EBFs). However, studies have indicated that significant residual drifts occur in this system when subjected to earthquakes at the Maximum Considered Earthquake (MCE) hazard level. Consequently, in order to mitigate these residual drifts, it is recommended to employ self-centering systems alongside the BRBF-E system. In our current research, we propose the utilization of the Direct Displacement-Based Seismic Design method to determine the design base shear for a hybrid system that combines BRBF with an eccentric configuration and a self-centering frame. Furthermore, we present a methodology for designing the individual components of this composite system. To assess the effectiveness of this design approach, we designed 3-, 6-, and 9-story buildings equipped with the BRBF-E-SCF system and developed finite element models. These models were subjected to two sets of ground motions representing the Maximum Considered Earthquake (MCE) and Design Basis Earthquake (DBE) seismic hazard levels. The results of our study reveal that although the combined system requires a higher amount of steel material compared to the BRBF-E system, it substantially reduces residual drift. Furthermore, the combined system demonstrates satisfactory performance in terms of story drift and ductility demand.
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.
The purpose of this study is to investigate the effectiveness of damped cable systems (DCS) to mitigate the earthquake-induced responses of a building frame structure. The seismic performance of the DCS is investigated using the fragility analysis and life cycle cost evaluation of an existing building retrofitted with the DCS, and the results are compared with the structure retrofitted with conventional fluid viscous dampers. The comparison of the analysis results reveals that, due to the self-centering capability of the DCS, residual displacement approximately reaches to zero for the structure retrofitted with the DCS. The fragility analysis shows that the structure retrofitted with the DCS has the least probability of reaching the specific limit states compared to the bare structure and the structure with the conventional fluid viscous damper (VD), especially under the severe ground motions. It is also observed that both the initial and the life cycle costs of the DCS seismic retrofitting technique is lesser compare to the structure retrofitted with the VD.
The purpose of this paper is to analytically find the approximate supplement damping ratio of the viscous damper installed in self-centering (SC) single-degree-of-freedom (SDOF) systems with maximum displacements that are similar to those of elasto-plastic (EP) SDOF systems. The behavior of an SC SDOF system under harmonic cyclic loading was first described. Then an analytical model that can capture the behavior of the viscously damped SC SDOF system was introduced. Analysis parameters that characterize the hysteresis of the EP and SC SDOF systems were chosen, and nonlinear time-history analyses were performed using 20 historical accelerograms. Most of the SC SDOF systems with viscous dampers with approximately 10-15% damping ratios presented mean maximum displacement values that were similar to those of the EP SDOF systems. To investigate in detail the seismic performance of both systems, three EP SDOF systems and six corresponding SC SDOF systems were selected. The analyses showed that all the SC SDOF systems eliminated the residual displacements after the end of their shaking, and that the SC SDOF systems with 15% damping ratios performed better than the EP SDOF systems in terms of maximum displacement and acceleration response.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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