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.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.6
no.1
s.19
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pp.45-54
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2006
A steel frame is one of the most commonly used structural systems due to its resistance to various types of applied loads. Many studies have been conducted to investigate the effects of connection flexibility, support conditions, and beam-to-column stiffness ratio on the story drift of a frame. Based on the results of these studies, several design guides have been proposed. This research has been conducted to predict the actual behavior of a double angle connection, and to establish its effect on the story drift and the maximum allowable load of a steel frame. For these purposes, several experimental tests were conducted and a simplified analytical model was proposed. This simplified analytical model consists of four spring elements as well as a column member. In addition, a point bracing system was proposed to control the excessive story drift of an unbraced steel frame.
To quantitatively assess the safety against seismic collapse of eccentrically braced steel frame (EBSF) system, 24 typical EBSFs with K-shape and V-shape braces with seismic precautionary intensities 8 and 9 were designed complying with China seismic design code and relative codes to constitute archetype space of this structure system. In the archetype space, the collapse probability of the structural system under maximum considered earthquakes (MCE) was researched. The results show that the structures possess necessary safety against seismic collapse when they respectively encounter the maximum considered earthquakes corresponding to their seismic precautionary levels, and their collapse probabilities increase with increasing seismic precautionary intensities. Moreover, the EBSFs with V-shape braces have smaller collapse probability, thus greater capacity against seismic collapse than those with K-shape braces.
Non-moment beam-to-column connections, which are usually referred to as simple or shear connections, are typically designed to carry only gravity loads in the form of vertical shears. Although in the analysis of structures these connections are usually assumed to be pinned, they may provide a small amount of rotational stiffness due to the typical connection details. This paper investigates the effects of this small rotational restraint of simple beam-to-column connections on the behavior and seismic response of steel braced non-moment resisting frames. Two types of commonly used simple connections with bolted angles, i.e., the Double Web angle Connection (DWC) and Unstiffened Seat angle Connection (USC) are considered for this purpose. In addition to the pinned condition - as a simplified representation of these connections - more accurate semi-rigid models are established and then applied to some frame models subjected to nonlinear pushover and nonlinear time history analyses. Although the use of bracing elements generally reduces the sensitivity of the global structural response to the behavior of connections, the obtained results indicate considerable effects on the local responses. Namely, our results show that consideration of the real behavior of connections is essential in designing the column elements where the pin-connection assumption significantly underestimates design of outer columns of upper stories.
In this paper, seismic provisions related to built-up special concentrically braced frames (BSCBFs) are investigated under cyclic loading using non-linear finite element analysis of a single-bay single-story frame. These braces, which contain double angle and double channel brace sections, are considered in two types of single diagonal and X-braced frames. The results of this study show that current seismic provisions such as observing the 0.4 ratio for slenderness ratio of individual elements between stitch connectors are conservative in BSCBFs, and can be increased according to the type of braces. Furthermore, such increments will lead to decreasing or remaining the current middle protected zone requirements of each BSCBFs. Failure results of BSCBFs, which are related to the plastic equivalent strain growth of members and ductility capacity of the models, show that the behaviors of double channel back-to-back diagonal braces are more desirable than those of similar face-to-face ones. Also, for double angle diagonal braces, results show that the failure of back-to-back BSCBFs occurs faster in comparison with face-to-face similar braces. In X-braced frames, cyclic and failure behaviors of built-up face-to-face models are more desirable than similar back-to-back braces in general.
This paper provides a state-of-the-art review on advanced analysis models for investigating the load-displacement and ultimate load behaviour of steel and composite frames subjected to static gravity and lateral loads. Various inelastic analysis models for steel and composite members are reviewed. Composite beams under positive and negative moments are analysed using a moment-curvature relationship which captures the effects of concrete cracking and steel yielding along the members length. Beam-to-column connections are modeled using rotational spring. Building core walls are modeled using thin-walled element. Finally, the nonlinear behaviour of a complete multi-storey building frame consisting of a centre core-wall and the perimeter frames for lateral-load resistance is investigated. The performance of the total building system is evaluated in term of its serviceability and ultimate limit states.
To improve braced frame performance, the connection strength, stiffness, and ductility must be directly considered in the frame design. The resistance of the connection must be designed to resist seismic loads and to help provide the required system ductility. In addition, the connection stiffness affects the dynamic response and the deformation demands on the structural members and connections. In this paper, current design models for gusset plate connections are reviewed and evaluated usingthe results of past experiments. Current models are still not sufficient to provide adequate connection design guidelines and the actual stress and strain states in the gusset plate are very nonlinear and highly complex. Design engineers want simple models with beam and column elements to make an approximate estimation of system and connection performance. The simplified design models are developed and evaluated to predict connection stiffness and system behavior. These models produce reasonably accurate and reliable estimation of connection stiffness.
Reza Khalili Sarbangoli;Ahmad Maleki;Ramin K. Badri
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.239-252
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2024
Steel plate shear walls (SPSWs) are classified as lateral load-resisting systems. The feasibility of openings in the steel plate is a characteristic of SPSWs. The use of openings in SPSWs can lower the load capacity, stiffness, and energy dissipation. This study proposes a novel form of SPSWs that provides convenient access through openings by combining steel plates and eccentrically braced frames (EBFs). The proposed system also avoids a substantial reduction in the strength and stiffness. Hence, various geometric forms were analyzed through two different structural approaches. Groups 1, 2, and 3 included a steel EBF with a steel plate between the column and EBF in order to improve system performance. In Group 4, the proposed system was evaluated within an SPSW with openings and an EBF on the opening edge. To evaluate the performance of the proposed systems, the nonlinear finite element method (NL-FEM) was employed under cyclic loading. The hysteresis (load-drift) curve, stress contour, stiffness, and damping were evaluated as the structural outputs. The numerical models indicated that local buckling within the middle plate-EBF connection prevented a diagonal tension field. Moreover, in group 4, the EBF and stiffeners on the opening edge enhanced the structural response by approximately 7.5% in comparison with the base SPSW system.
Eccentrically braced frames (EBFs) represent an attractive lateral load resisting steel system to be used in areas of high seismicity. In order to assess the likely damage for a given intensity of ground shaking, fragility functions can be used to identify the probability of exceeding a certain damage limit-state, given a certain response of a structure. This paper focuses on developing a set of fragility functions for EBF structures, considering that damage can be directly linked to the interstorey drift demand at each storey. This is done by performing a Monte Carlo Simulation of an analytical expression for the drift capacity of an EBF, where each term of the expression relies on either experimental testing results or mechanics-based reasoning. The analysis provides a set of fragility functions that can be used for three damage limit-states: concrete slab repair, damage requiring heat straightening of the link and damage requiring link replacement. Depending on the level of detail known about the EBF structure, in terms of its link section size, link length and storey number within a structure, the resulting fragility function can be refined and its associated dispersion reduced. This is done by using an analytical expression to estimate the median value of interstorey drift, which can be used in conjunction with an informed assumption of dispersion, or alternatively by using a MATLAB based tool that calculates the median and dispersion for each damage limit-state for a given set of user specified inputs about the EBF. However, a set of general fragility functions is also provided to enable quick assessment of the seismic performance of EBF structures at a regional scale.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.173-182
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2003
In equivalent static nonlinear analysis and in energy-based design, the structures are generally transformed into an equivalent SDOF system. In this study the seismic energy demands in multi story structures, such as three-, eight-, and twenty-story steel moment-resisting frames(MRF), buckling restrained braced frames(BRBF) and a damage tolerant braced frame(DTBF), are compared with those of equivalent single degree of freedom(ESDOF) systems. Sixty earthquake ground motions recorded In different soil conditions, which are soft rock, soft soil, and neat fault, were used to compute the input and hysteretic energy demands in model structures. In case the modal mass coefficient is less than 0.8, the effects of higher modes are considered in the process of converting into ESDOF According to the analysis results, the hysteretic and input energies obtained from 3 story and 8 story MRF and DTBF agreed well with the results from analysis of equivalent SDOF systems. However in the 20 story BRBF the results from ESDOF underestimated those obtained from the original structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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