In current engineering practice, circular concrete-filled steel tubular (CFST) columns have been used as effective structural components due to their significant structural and economic benefits. To apply these structural components into steel-concrete composite moment resisting frames, increasing number of research into the column-base connections of circular CFST columns have been found. However, most of the previous research focused on the strength, rigidity and seismic resisting performance of the circular CFST column-base connections. The present paper attempts to investigate the demountability of bolted circular CFST column-base connections using the finite element method. The developed finite element models take into account the effects of material and geometric nonlinearities; the accuracy of proposed models is validated through comparison against independent experimental results. The mechanical performance of CFST column-base connections with both permanent and demountable design details are compared with the developed finite element models. Parametric studies are further carried out to examine the effects of design parameters on the behaviour of demountable circular CFST column-base connections. Moreover, the initial stiffness and moment capacity of such demountable connections are compared with the existing codes of practice. The comparison results indicate that an improved prediction method of the initial stiffness for these connections should be developed.
Timber is one of the few natural, renewable building materials and glulam is a type of engineering wood product. In the present work, timber-based braces are applied for retrofitting midrise Special Moment Resisting Frame (SMRF) using two types of timber base braces (Timber base glulam, and hybrid Timber-Steel-BRB) as alternatives for retrofitting by traditional steel bracings. The improving effects of adding the bracings to the SMRF on seismic characteristics of the frame are evaluated using load-bearing capacity, energy dissipation, and story drifts of the frame. For evaluating the retrofitting effects on the seismic performance of SMRF, a five-story SMRF is considered unretofitted and retrofitted with steel-hollow structural section (HSS) brace, Glued Laminated Timber (Glulam) brace, and hybrid Timber-Steel BRB. Using OpenSees structural analyzer, the performance are investigated under pushover, cyclic, and incremental loading. Results showed that steel-HSS, timber base Glulam, and hybrid timber-steel BRB braces have more significant roles in energy dissipation, increasing stiffness, changing capacity curves, reducing inter-story drifts, and reducing the weight of the frames, compared by steel bracing. Results showed that Hybrid BRB counteract the negative post-yield stiffness, so their use is more beneficial on buildings where P-Delta effects are more critical. It is found that the repair costs of the buildings with hybrid BRB will be less due to lower residual drifts. As a result, timber steel-BRB has the best energy dissipation and seismic performance due to symmetrical and stable hysteresis curves of buckling restrained braces that can experience the same capacities in tension and compression.
Calado, Luis;Proenca, Jorge M.;Espinha, Miguel;Castiglioni, Carlo A.
Steel and Composite Structures
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v.14
no.6
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pp.547-569
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2013
In recent years there has been increasing international interest about designing structures that cost less to repair after they have been subjected to strong earthquakes. Considering this interest, an innovative repairable fuse device has been developed for dissipative beam-to-column connections in moment-resisting composite steel and concrete frames. The seismic performance of the device was assessed through an extensive experimental program comprising ten cyclic and two monotonic tests. These tests were conducted on a single beam-to-column specimen with different fuse devices for each test. The devices varied in terms of the chosen geometric and mechanical parameters. The tests showed that the devices were able to concentrate plasticity and to dissipate large amounts of energy through non-linear behavior. Numerical models were developed with Abaqus and simplified design models are also proposed.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.7
no.2
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pp.135-153
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2013
This study investigates the direct displacement based design (DDBD) approach for different types of reinforced concrete structural systems including single moment-resisting, dual wall-frame and dual steel-braced systems. In this methodology, the displacement profile is calculated and the equivalent single degree of freedom system is then modeled considering the damping characteristics of each member. Having calculated the effective period and secant stiffness of the structure, the base shear is obtained, based on which the design process can be carried out. For each system three frames are designed using DDBD approach. The frames are then analyzed using nonlinear time-history analysis with 7 earthquake accelerograms and the damage index is investigated through lateral drift profile of the models. Results of the analyses and comparison of the nonlinear time-history analysis results indicate efficiency of the DDBD approach for different reinforced concrete structural systems.
In this study, the performances of the SMRF building equipped with energy dissipating devices are studied. Three types of these structures with different heights are considered. The Added Damping and Stiffness (ADAS) devices are used as energy dissipating devices in these structures. The behavior of these structures with ADAS devices subjected to near source ground motions are investigated. Three SMRF buildings with five, ten and fifteen-story, with ADAS devices were chosen. The nonlinear time history analysis was used by applying the near source ground motions with PERFORM 3D.V4 and conclusions are drawn upon an energy criterion. The effect of PGA variation and height of the frames are also considered based on the energy criterion.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.19-26
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2003
In energy-based design, the structures are generally transformed into equivalent SDOF systems to obtain the input and the dissipated energy. In this study the energy demands in multi-story structures were compared with that of equivalent single degree of freedom systems to validate the transformation method. Three-, eight-, and twenty-story steel moment-resisting frames and buckling restrained braced frames are compared with those of equivalent single degree of freedom systems. Sixty earthquake ground motions recorded in different soil conditions were used to compute the input and hysteretic energy demands in model structures. According to the analysis results, in 3 and 8-story structures the hysteretic energy demands computed in the equivalent SDOF structures are compatible with those computed in the original MDOF structures, while in the 20-story structures the transformed equivalent structures underestimated the hysteretic energy demands.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.03a
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pp.286-293
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2003
In this study a story-wise distribution of hysteretic energy in multi-story steel moment-resisting framse (MRE), buckling restrained braced frames (BRBF-R), and hinge-connected framed structures with buckling restrained braces (BRBF-H) subjected to various earthquake ground excitations was investigated. According to analysis results the hysteretic energy in MRF and BRBF-R turned out to be the maximum at the base and monotonically diminishes with increasing height. In top stories the plastic deformation of members is almost negligible. However the story-wise distribution of hysteretic energy in BRBF-H was relatively uniform over the height of the structure. This is considered to be more desirable because damage is not concentrated in a single story.
This paper presents an analytical study aimed at evaluating the seismic performance of steel moment resisting frames (MRFs) retrofitted with different approaches. For this, 3, 6 and 12 storey MRFs having four equal bays of 5 m were selected as the case study models. The models were designed with lateral stiffness insufficient to satisfy code drift and hinge limitations in zones with high seismic hazard. Three different retrofit strategies including traditional diagonal bracing system and energy dissipation devices such as buckling restrained braces and viscoelastic dampers were used for seismic upgrading of the existing structures. In the nonlinear time history analysis, a set of ground motions representative of the design earthquake with 10% exceedance probability in fifty years was taken into consideration. Considering the local and global deformations, the results in terms of inter-storey drift index, global damage index, plastic hinge formations, base shear demand and roof drift time history were compared. It was observed that both buckling-restrained braces and viscoelastic dampers allowed for an efficient reduction in the demands of the upgraded frames as compared to traditional braces.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.6
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pp.311-322
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2017
In this study, the seismic performance of concrete-steel composite moment frame structures equipped with seismic retrofitting systems such as seismic reinforcement, base isolators, and bracing members, which are typical earthquake damage mitigation systems, is evaluated through nonlinear dynamic analyses. A total of five frame models were designed and each frame model was developed for numerical analyses. A total of 80 ground acceleration data were used to perform the nonlinear dynamic analysis to measure ground shear force and roof displacement, and to evaluate the behavioral performance of each frame model by measuring inter-story drift ratios. The analysis results indicate that the retrofitting device of the base isolator make a significant contribution to generating relatively larger absolute displacement than other devices due to flexibility provided to interface between ground and column base. However, the occurrence of the inter-story drift ratio, which is a relative displacement that can detect the damage of the structure, is relatively small compared with other models. On the other hand, the seismic reinforced frame model enhanced with the steel plate at the lower part of the column was found to be the least efficient.
Han, Sang Whan;Moon, Ki Hoon;Jung, Ji Eun;Lee, Ki Hak
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.6
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pp.751-760
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2007
The purpose of this study is to evaluate the seismic performance of the frame which is assumed to be used with Welded Unreinforced Flange-Bolted web (WUF-B) connections and detailed in compliance with FEMA 350 recommended seismic design criteria. In FEMA 350, these types of connections are only valid for Ordinary Moment-Resisting Steel Frames (OMRSFs). For this purpose, based on test results, we proposed an analytical model for the Post-Northridge WUF-B connections with different panel zone strength ratios. Using the connection model, SAC Phase II three and nine-story frames were modeled and analyzed. From a nonlinear static pushover analysis, ductility, maximum strength, and the maximum interstory drift ratio were investigated for buildings with Post-Northridge details. Moreover, the maximum interstory drift ratio of each performance level (IO and CP) was also investigated through Incremental Dynamic Analysis (IDA). Analytical results were compared with those of buildings with either Pre-Northridge connection or ductile connections with no fracture. The analytical results showed that buildings with Post-Northridge WUF-B connections provide superior strength and interstory drift ratio capacity than buildings with Pre-Northridge WUF-B connections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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