This paper was developed to computer program, which is about to analyize nonlinear behavior of structural member and frame including to geometric and material nonlineality, and formulated to the relationship of stress-strain of steel. In order to examplity the efficiency of this program, the numerical analysis was done for H section steel beam and square steel tube column subjected to monotonic load, and braced steel frame subjected to repeated horizontal forces. The obtained results by this program were in accordance with existing experimental and analytical results respectively.
Conceptual configuration and seismic performance of high-rise steel frame-brace structure are studied. First, the topology optimization problem of minimum volume based on truss-like material model under earthquake action is presented, which is solved by full-stress method. Further, conceptual configurations of 20-storey and 40-storey steel frame-brace structure are formed. Next, the 40-storeystructure model is developed in Opensees. Two common configurations are utilized for comparison. Last, seismic performance of 40-storey structure is derived using nonlinear static analysis and nonlinear dynamic analysis. Results indicate that structural lateral stiffness and maximum roof displacement can be improved using brace. Meanwhile seismic damage can also be decreased. Moreover, frame-brace structure using topology optimization is most favorable to enhance lateral stiffness and mitigate seismic damage. Thus, topology optimization is an available way to form initial conceptual configuration in high-rise steel frame-brace structure.
In this research the effect of seismic design level as a practical approach for progressive collapse mitigation and reaching desired structural safety against it in seismically designed concentric braced frame buildings was investigated. It was achieved by performing preliminary and advanced progressive collapse analysis of several split-X braced frame buildings, designed for each seismic zone according to UBC 97 and by applying various Seismic Load Factors (SLFs). The outer frames of such structures were studied for collapse progression while losing one column and connected brace in the first story. Preliminary analysis results showed the necessity of performing advanced element loss analysis, consisting of Vertical Incremental Dynamic Analysis (VIDA) and Performance-Based Analysis (PBA), in order to compute the progressive collapse safety of the structures while increasing SLF for each seismic zone. In addition, by sensitivity analysis it became possible to introduce the equation of structural safety against progressive collapse for concentrically braced frames as a function of SLF for each seismic zone. Finally, the equation of progressive collapse safety as a function of bracing member capacity was presented.
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.
The response of single story buildings and other case studies are investigated to observe trends in response and to develop a better understanding of the impact of some design parameters on the seismic response of CBF. While it is recognized that many parameters have an influence on the behavior of braced frames, the focus of this study is mostly on quantifying energy dissipation in compression and its effectiveness on seismic performance. Based on dynamic analyses of single story braced frame and case studies, it is found that a bracing member designed with bigger R and larger KL/r results in lower normalized cumulative energy, i.e., cumulative compressive energy normalized by the corresponding tensile energy (${\sum}E_C/E_T$), in both cases.
This study aims to examine the elastic stiffness properties of Elliptic-Braced Moment Resisting Frame (EBMRF) subjected to lateral loads. Installing the elliptic brace in the middle span of the frames in the facade of a building, as a new lateral bracing system not only it can improve the structural behavior, but it provides sufficient space to consider opening it needed. In this regard, for the first time, an accurate theoretical formulation has been developed in order that the elastic stiffness is investigated in a two-dimensional single-story single-span EBMRF. The concept of strain energy and Castigliano's theorem were employed to perform the analysis. All influential factors were considered, including axial and shearing loads in addition to the bending moment in the elliptic brace. At the end of the analysis, the elastic lateral stiffness could be calculated using an improved relation through strain energy method based on geometric properties of the employed sections as well as specifications of the utilized materials. For the ease of finite element (FE) modeling and its use in linear design, an equivalent element was developed for the elliptic brace. The proposed relation was verified by different examples using OpenSees software. It was found that there is a negligible difference between elastic stiffness values derived by the developed equations and those of numerical analysis using FE method.
This study presents the strength of braced and unbraced cold-formed steel wall frames consisting of several wall studs acting as columns, top and bottom tracks, and bracing members. The strength and the buckling mode of steel wall frames were found to be different due to the change of bracing type. In addition, the spacing of wall studs is a crucial factor to the strength of steel wall frames. The comparisons were made between the test results and the predictions computed based on AISI Code. The related specifications do not clearly provides the effective length factors for the member of cold-formed steel frame under compression. This paper proposes effective length factors for the steel wall frames based on the test results. A theoretical model is also derived to obtain the modulus of elastic support provided by the bracing at mid-height of steel wall frames in this research.
Park, Hong Gun;Choi, In Rak;Jeon , Sang Woo;Kim, Won Ki
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.18
no.4
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pp.457-468
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2006
An experimental study was performed to investigate the maximum energy dissipation and the ductility capacity of shear-dominated steel plate walls with thin web plates. Three specimens of three-story plate walls with thin web plates were tested. The parameters for the test specimens were the aspect ratio of the web plate and the shear strength of the column. A concentrically braced frame and a moment-resisting frme were a also tested for comparison. The steel plate walls exhibited much better ductility and energy dissipation capacity than the concentrically braced frame and the moment-resisting frame. The results showed that unlike other structural systems, the sh as well as strength, and can therefore be used as an effective earthquake-resisting system. A method of predicting the energy dissipation capacity of a steel plate wall was proposed.
Mazinani, Iman;Jumaat, Mohd Zamin;Ismail, Z.;Chao, Ong Zhi
Structural Engineering and Mechanics
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v.49
no.3
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pp.297-309
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2014
Under lateral loads Framed Tube (FT) system exhibits reduction of cantilever efficiency due to the effect of shear lag. Braced Tube (BT) represents a valuable solution to overcome shear lag problems by stiffening the exterior frame with diagonal braced members. This study investigates the effect of shear lag on BT and FT under wind load. Shear lag and top-level displacement results are compared with previous findings by researchers on FT and BT systems. The investigation of the effect of various configurations in BT on the reduction the shear lag is another objective of this study. The efficiency of each structure is evaluated using the linear response spectrum analysis to obtain shear lag. STADD Pro software is used to run the dynamic analysis of the models. Results show there is relatively less shear lag in all the BT configurations compared to the FT structural system. Moreover, the comparison of the obtained result with those derived by previous studies shows that shear lag is not proportional to lateral displacement. With respect to results, optimum BT configuration in term of lower shear lag caused by lateral loads is presented.
The design basis is being shifted from strength to deformation in modern performance-based design codes. This paper presents a practical method for optimization of eccentrically braced steel frames, based on the concept of uniform deformation theory (UDT). This is done by gradually shifting inefficient material from strong parts of the structure to the weak areas until a state of uniform deformation is achieved. In the first part of this paper, UDT is implemented on 3, 5 and 10 story eccentrically braced frames (EBF) subjected to 12 earthquake records representing the design spectrum of ASCE/SEI 7-10. Subsequently, the optimum strength-distribution patterns corresponding to these excitations are determined, and compared with four other loading patterns. Since the optimized frames have uniform distribution of deformation, they undergo less damage in comparison with code-based designed structures while having minimum structural weight. For further investigation, the 10 story EBF is redesigned using four different loading patterns and subjected to 12 earthquake excitations. Then a comparison is made between link rotations of each model and those belonging to the optimized one which revealed that the optimized EBF behaves generally better than those designed by other loading patterns. Finally, efficiency of each loading pattern is evaluated and the best one is determined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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