In this study, two geometrically identical multi-storey steel buildings with different lateral load resisting systems are structurally analyzed under same earthquake conditions and they are compared with respect to their construction costs of their structural systems. One of the systems is a steel structure with eccentrically steel braced frames. The other one is a RC wall-steel frame system, that is a steel framed structure in combination with a reinforced concrete core and shear walls of minimum thickness that the national code allows. As earthquake resisting systems, steel braced frames and reinforced concrete shear walls, for both cases are located on identical places in either building. Floors of both buildings will be of reinforced concrete slabs of same thickness resting on composite beams. The façades are assumed to be covered identically with light-weight aluminum cladding with insulation. Purpose of use for both buildings is an office building of eight stories. When two systems are structurally analyzed by FEM (finite element method) and dimensionally compared, the dual one comes up with almost 34% less cost of construction with respect to their structural systems. This in turn means that, by using a dual system in earthquake zones such as Turkey, for multi-storey steel buildings with RC floors, more economical solutions can be achieved. In addition, slender steel columns and beams will add to that and consequently more space in rooms is achieved.
The response of multi-story building structures to lateral loads, mainly due to earthquake and wind, is investigated for preliminary design purposes. Emphasis is placed on structural systems consisting of rigid and braced steel frames. An attempt to gain a qualitative understanding of the influence of bending and shear stiffness distribution on the deformations of such structures is made. This is achieved by modeling the structure with a stiffness equivalent Timoshenko beam. It is observed that the conventional stiffness distribution, dictated by strength constraints, may not be the best to satisfy deflection criteria. This is particularly the case for slender structural systems with prevailing bending deformations, such as flexible braced frames. This suggests that a new approach to the design of such frames may be appropriate when serviceability governs. A pertinent strategy for preliminary design purposes is proposed.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.3
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pp.97-103
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2004
Most of the columns in centrally braced steel frame buildings are usually designed as the gravity columns to reduce connection cost. For a rational seismic performance evaluation of centrally braced steel frame buildings, it is important to properly incorporate in the analysis the P-${\Delta}$ effects arising from the gravity columns. An effective scheme for the P-${\Delta}$ effects modeling due to the gravity columns was illustrated based on the concept of fictitious leaning column. Seismic performance evaluation of inverted V braced steel frames with or without P-${\Delta}$ effects modeling was conducted by following the FEMA 273 NSP (Nonlinear Static Procedure). The problem in estimating dynamic P-${\Delta}$ modification factor (C3) in FEMA 273 was discussed. The results of this study indicated that the P-${\Delta}$ effects should be included in the seismic performance evaluation of centrally braced steel frames. This study also showed that the inverted V braced frames, retrofitted by applying the tie bars to redistribute the inelastic demand over the height of the building, exhibit significantly improved seismic performance.
An effective seismic retrofit scheme for inverted V braced (or chevron type) steel frames was proposed by studying the redistribution of forces in the post-buckling range. The steel frames with chevron bracing are highly prone to soft story response once the compression brace buckles under earthquake loading. This paper shows that the seismic performance of such frames could be significantly improved by supplying tie bars to redistribute the inelastic deformation demand over the height of the building. A practical design method of the retrofit tie bars was also proposed by considering the sequence of buckling occurrence.
Pandikkadavath, Muhamed Safeer;Sahoo, Dipti Ranjan
Steel and Composite Structures
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v.23
no.3
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pp.285-302
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2017
Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are commonly used as the lateral force-resisting systems in building structures in the seismic regions. The nearly-symmetric hysteretic response and the delayed brace core fracture of buckling-restrained braces (BRBs) under the axial cyclic loading provide the adequate lateral force and deformation capacity to BRBFs under the earthquake excitation. However, the smaller axial stiffness of BRBs result in the undesirable higher residual drift response of BRBFs in the post-earthquake scenario. Two alternative approaches are investigated in this study to improve the elastic axial stiffness of BRBs, namely, (i) by shortening the yielding cores of BRBs; and (ii) by reducing the BRB assemblies and adding the elastic brace segments in series. In order to obtain the limiting yielding core lengths of BRBs, a modified approach based on Coffin-Manson relationship and the higher mode compression buckling criteria has been proposed in this study. Both non-linear static and dynamic analyses are carried out to analytically evaluate the seismic response of BRBFs fitted with short-core BRBs of two medium-rise building frames. Analysis results showed that the proposed brace systems are effective in reducing the inter-story and residual drift response of braced frames without any significant change in the story shear and the displacement ductility demands.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.4
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pp.197-204
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2017
This paper aims to analyze the economic feasibility and investigate the possibility of elastic seismic design of wind-designed highrise concentrically braced frames considering change of mechanical properties of Korean steel under the strong wind and the low seismicity in Korea. To this end, first, highrise concentrically braced frames were designed considering strong wind load. And then, analyses of the economics of them were performed. The seismic performance evaluation of wind-designed highrise buildings was conducted using the response spectrum analysis procedure. Analysis results show that it is possible to save up to approximately 90% of the amount of steel on the 10% increase in steel strength without serviceability. However, with serviceability, the design sectional area of the steel with relatively high strength tends to increment considerably because of the lateral stiffness due to reduction of the inertia moment and so on. This point might apply to limitation of the steel with high tensile yield strength.
Steel braced frames are commonly used because braced frames are one of the most economical and efficient seismic resisting systems. However, research into the behavior of multi-story X-braced frame systems with mid-span gusset plates, as used in practice, is limited. As a result, their seismic performance and the influence of connection design on this performance are not well understood. Detailed nonlinear computer analyses of the frame were performed prior to building the test specimens and were used to aid the design and to predict the system performance. These analyses suggested significantly different behavior for the midspan gusset plate than that noted for the corner gusset plate connections. This paper summarizes the results of a full scale, 2-story braced frame analysis and test on concentrically braced frames.
Fakhraddini, Ali;Fadaee, Mohammad Javad;Saffari, Hamed
Steel and Composite Structures
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v.27
no.5
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pp.623-632
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2018
Performance-Based Plastic Design (PBPD) method has been recently developed to evaluate the behavior of structures in different performance levels. The PBPD method utilizes a base shear force and a lateral load pattern that are estimated based on energy and yielding mechanism concepts. Using of current lateral force pattern results in weak structural members in upper stories of a structure so that the values of the story drift in these stories are larger than the target drift, particularly in high-rise buildings. Therefore, such distribution requires modifications to overcome this drawback. This paper proposes a modified lateral load pattern for steel Eccentrically Braced Frames (EBFs) based on parametric study. In order to achieve the modified load pattern, a group of 26 EBFs has been analyzed under a set of 20 earthquake ground motions. Additionally, results of nonlinear dynamic analyses of EBFs have been post-processed by nonlinear regression analysis in order to derive the new load pattern. To prove the efficiency of present study, three EBFs as examples were designed by modified pattern and current PBPD distribution. Inelastic dynamic analyses results showed that the story drifts using modified lateral load pattern were well within the target values in comparison with current pattern in PBPD, particularly where the effect of the height is significant. The modified load pattern reduces the possibility of underdesigning in upper levels and overdesigning in lower levels of the frames.
The effects of accidental eccentricity on the seismic response of four-storey steel buildings laterally stabilized by buckling restrained braced frames are studied. The structures have a square, symmetrical footprint, without inherent eccentricity between the center of lateral resistance (CR) and the center of mass (CM). The position of the bracing bents in the buildings was varied to obtain three different levels of torsional sensitivity: low, intermediate and high. The structures were designed in accordance with the seismic design provisions of the 2010 National Building Code of Canada (NBCC). Three different analysis methods were used to account for accidental eccentricity in design: (1) Equivalent Static Procedure with static in-plane torsional moments assuming a mass eccentricity of 10% of the building dimension (ESP); (2) Response Spectrum Analysis with static torsional moments based on 10% of the building dimension (RSA-10); and (3) Response Spectrum Analysis with the CM being displaced by 5% of the building dimension (RSA-5). Time history analyses were performed under a set of eleven two-component historical records. The analyses showed that the ESP and RSA-10 methods can give appropriate results for all three levels of torsional sensitivity. When using the RSA-5 method, adequate performance was also achieved for the low and intermediate torsional sensitivity cases, but the method led to excessive displacements (5-10% storey drifts), near collapse state, for the highly torsionally sensitive structures. These results support the current provisions of NBCC 2010.
"A practical architect might not unnaturally conceive the idea of erecting a vast edifice whose frame should be entirely of iron, and clothing the frame--preserving it--by means of a casing of stone…that shell must be regarded only as an envelope, having no function other than supporting itself..." --Viollet-le-Duc, 1868. Viollet-le-Duc's recipe for an encased iron frame foresaw the separation of structural and enclosing functions into discrete systems. This separation is an essential characteristic of skyscrapers today, but at the time of his writing cast iron's brittle nature meant that iron frames could not, on their own, resist lateral forces in tall structures. Instead, tall buildings had to be braced with masonry shear walls, which often also served as environmental enclosure. The commercial availability of steel after the 1880s allowed for self-braced metal frames while parallel advances in glass and terra cotta allowed exterior walls to achieve vanishingly thin proportions. Two Chicago buildings by D.H. Burnham & Co. were the first to match a frame "entirely of iron" with an "envelope" supporting only itself. The Reliance Building (1895) was the first of these, but the Fisher Building (1896) more fully exploited this new constructive typology, eschewing brick entirely, to become the first "building without walls," a break with millennia of tall construction reliant upon masonry
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