Ductile fracture is one of the most common failure modes of steel beam-to-column connections in moment resisting frames. Most proposed evaluation methods of the plastic deformation capacity of a beam until ductile fracture are based on steel beam tests, where the material's yield strength/ratio, the beam's moment gradient, and loading history are the most important parameters. It is impossible and unpractical to cover all these parameters in real tests. Therefore, a new attempt to evaluate a beam's plastic deformation capacity through analysis is introduced in this paper. Another important issue is about the loading histories. Recent years, the effect on the structural component under long-duration ground motion has drawn great attentions. Steel beams tends to experience a large number of loading cycles with small amplitudes during long-duration earthquakes. However, current research often focuses on the beam's behavior under standard incremental loading protocols recommended by respective countries. In this paper, the plastic deformation capacity of steel beams subjected to long duration ground motions was evaluated through analytical methodology.
The rotation capacity of the moment connections could significantly influence on the seismic performance of steel moment resisting frames. Current seismic provisions require that beam-to-column connections in Intermediate Moment Frames (IMF) should have a drift capacity as large as 0.02 radian. The objective of this study was to evaluate the effect of the rotation capacity of moment connections on the seismic performance of high-rise IMFs. For this purpose, thirty- and forty-story high-rise IMFs were designed according to the current seismic design provisions. The seismic performance of designed model frames was evaluated according to FEMA P695. This study showed that the forty-story IMF satisfied the seismic performance objective specified in FEMA P695 when the rotation capacity of the connections was larger than 0.02. However, thirty-story IMFs satisfied the performance objective when the connection rotation capacity is larger than 0.03.
Kim, Sang Seup;Lee, Do Hyung;Ham, Jeong Tae;Kim, Kyu Suk
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.1
s.68
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pp.169-180
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2004
One of the most influential elements is the moment resisting beam-to-column connection vis-a-vis the behavior and cost of multistory steel building frames. Majority of these connections are column flange connections attached to beam frames. This is called strong-axis connection. Another type of moment resisting connection commonly found in building frames is the web axis connection. In this type of connection, the beams are attached to the plane of the column web perpendicularly. It is called the weak-axis beam. and it tends to bend the column at its weak axis. In this study, some of the fundamental behaviors of beam-to-column connections were examined by changing the connection details as weil as comparing them with previous connection details. This study sought to develop the details in the beam-to-column connection in the weak axis for middle- and low-rise steel construction systems.
In most self-center braces, decreasing residual deformation is possible only by increasing pretension force, which results in lower energy dissipation capacity. On the other hand, increasing energy dissipation capacity means higher values of residual deformation. The goal of this research was to find the best design for a self-centering buckling restrained brace (SC-BRB) system by balancing self-centering capability and energy dissipation. Three, six, and nine-story structures were investigated using OpenSees software and the TCL programming language to achieve this goal. For each height, 62 different SC-BRBs were considered using different values for the pretension force of cables, the area of the buckling restrained brace (BRB) core plate, and the yield stress of the core plate. The residual deformation and dissipated energy of all the models were calculated using nonlinear analyses after cyclic loading was applied. The optimum design for each height was determined among all the models and was compared to the structure equipped with the usual BRB. The residual deformation of the framed buildings was significantly reduced, according to the findings. Also the reduction of the energy dissipation was acceptable. The optimum design of SC-BRB in 6-story building has the most reduction percent in residual deformation, it can reduce residual deformation of building 83% while causing only a 57% of reduction in dissipated energy. The greatest reduction in residual deformation versus dissipated energy reduction was for the optimum SC-BRB design of 9-story building, results indicated that it can reduce residual deformation of building 69% while causing only a 42% of reduction in dissipated energy.
Mansouri, Iman;Arabzadeh, Ali;Farzampour, Alireza;Hu, Jong Wan
Steel and Composite Structures
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v.37
no.1
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pp.91-98
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2020
Steel plate shear walls are recently used as efficient seismic lateral resisting systems. These lateral resistant structures are implemented to provide more strength, stiffness and ductility in limited space areas. In this study, the seismic behavior of the multi-story steel frames with steel plate shear walls are investigated for buildings with 4, 8, 12 and 16 stories using verified computational modeling platforms. Different number of steel moment bays with distinctive lengths are investigated to effectively determine the deflection amplification factor for low-rise and high-rise structures. Results showed that the dissipated energy in moment frames with steel plates are significantly related to the inside panel. It is shown that more than 50% of the dissipated energy under various ground motions is dissipated by the panel itself, and increasing the steel plate length leads to higher energy dissipation capability. The deflection amplification factor is studied in details for various verified parametric cases, and it is concluded that for a typical multi-story moment frame with steel plate shear walls, the amplification factor is 4.93 which is less than the recommended conservative values in the design codes. It is shown that the deflection amplification factor decreases if the height of the building increases, for which the frames with more than six stories would have less recommended deflection amplification factor. In addition, increasing the number of bays or decreasing the steel plate shear wall length leads to a reduction of the deflection amplification factor.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2006.03a
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pp.201-208
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2006
This study lotuses on the seismic behavior of 3-, 9-, and 20-story steel moment resisting frame (MRF) structures designed in accordance with the 2000 International Building Code using different Response Modification factors (R factors) 8, 9, 10, 11, and 12. For a detailed case study, 30 different structures were evaluated for twenty ground motions representing the hazard level which is equal to a 2% probability exceeding in 50 years (2% in 50 years). The results showed that the current R factors provide conservative designs for the 3- and 9-story buildings for the Collapse Prevention performance objective. However, the 20-story buildings designed without using the minimum requirement of spectral acceleration CS prescribed in the IBC 2000 did not satisfy the seismic performance for Collapse Prevention performance.
This study focuses on the seismic behavior of 3-, 9-, and 20-story steel moment resisting frame (MRF) structures designed in accordance with the 2000 International Building Code using different Response Modification factors (R factors), i.e., 8, 9, 10, 11, and 12. For a detailed case study, 30 different structures were evaluated for 20 ground motions representing the hazard level, which is equal to a 2% probability in 50 years (2% in 50 years). The results showed that the current R factors provide conservative designs for the 3- and 9-story buildings for the Collapse Prevention performance objective. the 20-story buildings, which were designed without using the minimum requirement of spectral acceleration CS prescribed in IBC 2000, did not satisfy the seismic performance for Collapse Prevention performance.
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.
Li, Yan-Wen;Yam, Michael C.H.;Zhang, Ping;Ke, Ke;Wang, Yan-Bo
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.5
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pp.611-628
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2022
Energy-dissipative rocking (EDR) columns are a class of seismic mitigation device capable of dissipating seismic energy and preventing weak-story failure of moment resisting frames (MRFs). An EDR consists of two hinge-supported steel columns interconnected by steel dampers along its height. Under earthquakes, the input seismic energy can be dissipated by plastic energy of the steel dampers in the EDR column. However, the unrecoverable plastic deformation of steel dampers generally results in residual drifts in the structural system. This paper presents a proof-of-concept study on an innovative device, namely self-centring energy-dissipative rocking (SC-EDR) column, aiming at enabling self-centring capability of the EDR column by installing a set of shape memory alloy (SMA) tension braces. The working mechanism of the SC-EDR column is presented in detail, and the feasibility of the new device is carefully examined via experimental and numerical studies considering the parameters of the SMA bar diameter and the steel damper plate thickness. The seismic responses including load carrying capacities, stress distributions, base rocking behaviour, source of residual deformation, and energy dissipation are discussed in detail. A rational combination of the steel damper and the SMA tension braces can achieve excellent energy dissipation and self-centring performance.
This paper presents a reliability-based analysis on seismic performance of timber-steel hybrid shear wall systems. Such system is composed of steel moment resisting frame and infill wood frame shear wall. The performance criteria of the hybrid system with respect to different seismic hazard levels were determined through a damage assessment process, and the effectiveness of the infill wood shear walls on improving the seismic performance of the hybrid systems was evaluated. Performance curves were obtained by considering different target non-exceedance probabilities, and design charts were further established as a function of seismic weight. Wall drift responses and shear forces in wood-steel bolted connections were used as performance criteria in establishing the performance curves to illustrate the proposed design procedure. It was found that the presence of the infill wood shear walls significantly reduced the non-performance probabilities of the hybrid wall systems. This study provides performance-based seismic evaluations on the timber-steel hybrid shear walls in support of future applications of such hybrid systems in multi-story buildings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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