In this paper, a particular type of all-steel HSS brace members with a locally reduced cross-sectional area was experimentally and numerically investigated. The brace member was strengthened against local buckling with inner and outer boxes in the reduced area. Four single-span braced frames were tested under cyclic lateral loadings. Specimens included a simple steel frame with a conventional box-shaped brace and three other all-steel reduced section buckling-restrained braces. After conducting the experimental program, numerical models of the proposed brace were developed and verified with experimental results. Then the length of the proposed fuse was increased and its effect on the cyclic behavior of the brace was investigated numerically. Eventually, the brace was detailed with a fuse-to-brace length of 30%, as well as the cross-sectional area of the fuse-to-brace of 30%, and the cyclic behavior of the system was studied numerically. The study showed that the proposed brace is stable up to a 2% drift ratio, and the plastic cumulative deformation requirement of AISC (2016) is easily achieved. The proposed brace has sufficient ductility and stability and is lighter, as well as easier to be fabricated, compared to the conventional mortar-filled BRB and all-steel BRB.
Steel tubular buckling controlled braces are well known as being simple, practical and cost-effective lateral force resisting systems. Although these system features have gained the attention of the researchers over the last decade, steel tubular buckling controlled braces currently have limited application. Indeed, only a few steel tubes tightly encased within each other exist in the steel industry. In this paper, a new and practical design method is proposed in order to better promote the widespeared application for current steel tubular buckling controlled brace applications. In order to reach this goal, a holed-adapter made with polyoxymethylene adaptable to all round and square steel sections, was developed to use as infiller. The research program presents designing, producing and displacement controlled cyclic loading tests of a conventional tubular brace and a buckling controlled composite brace. In addition, numerical analysis was carried out to compare the experimental results. As a result of the experimental studies, buckling was controlled up to 0.88 % drift ratio and the energy dissipation capacity of the conventional tubular brace increased 1.46 times due to the proposed design. The main conclusion of this research is that polyoxymethylene is a highly suitable material for the production of steel tubular buckling controlled braces.
Gil, Heung Bae;Jang, Gab Chul;Kang, Sang Gyu;Lee, Il Keun
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.3A
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pp.227-234
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2009
Recently, a knee brace is usually installed in connection between cross-beam and main-girder of steel box-girder bridges. The knee brace is installed as a structural stiffener and mainly aims to relieve stress at joints and to prevent main-girder from lateral deformation. However, research on the knee brace is insufficient to obviously evaluate the necessity. The stiffened effect of knee brace is determined by using finite element analyses. Stress distribution, stress level of members and deflection of the cross-beam are evaluated by parametric FE analysis for the installation of knee brace and the depth ratio of cross-beam/steel box girder. It is seen from comparison of numerical analysis results that the knee brace installed in cross-beam of steel boxgirders bridges is not efficient as a structural stiffener with respect to stress relief and stiffened effect.
This study presents a numerical investigation into the hysteretic behavior of cold-formed austenitic stainless steel square hollow section (SHS) brace members using a commercial finite element (FE) analysis software ABAQUS/Standard. The initial/post buckling and fracture life of SHS brace members are comprehensively investigated through parametric studies with FE models incorporating ductile fracture model, which is validated against the existing laboratory test results collected from the literature. It is found that the current predictive models are applicable for the initial buckling strengths of SHS brace members under cyclic loading, while result in significant inaccuracy in predictions for the post-buckling strength and fracture life. The modified predictive model is therefore proposed and the applicability was then confirmed through excellent comparisons with test results for cold-formed austenitic stainless SHS brace members.
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.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.2
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pp.101-109
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2023
Steel brace strengthening is the most popular seismic rehabilitation method for school buildings. This is because the design can be conducted by using relatively easy nonlinear pushover analysis and standard modeling in codes. An issue with steel brace strengthening is that the reinforced building should behave elastically to satisfy performance objectives. For this, the size of steel braces should be highly increased, which results in excessive strengthening cost by force concentration on existing members and foundations due to the considerable stiffness and strength of the steel braces. The main reason may be the brittle failure mode of columns, so this study investigated the relationship between the efficiency of steel brace strengthening and column failure modes. The result showed that the efficiency is highly dependent on the shear capacity ratio of columns and structural analysis methods. School buildings reinforced by steel braces do not need to behave elastically when the shear capacity ratio is low, and pushover analysis is used, which means reducing steel material is possible.
To study the effects of corner braces on fatigue performance of the U-rib and roof weld in steel bridge decks, the fatigue experiment was carried out to compare characteristics of the crack shape with and without corner braces. The improvement of fatigue life and stress variation after setting corner braces were also analysed. Different parameters of corner brace sizes, arrangements, and detail types were considered in the FEM models to obtain stress distribution and variation at the weld. Furthermore, enhancement of the fatigue performance by corner braces was evaluated. The results demonstrated that the corner brace could improve the fatigue life of the U-rib and roof weld, which exerted even no influence on the crack shape. Moreover, stress of the roof weld was decreased and the crack position was transferred from the root weld to U-rib and corner brace weld. It was suggested no weld scallop should be drilled on the corner brace. A transverse rib with lower height which was set between U-ribs was favourable for improvement of fatigue performance.
Hook bolt brace is being used to construct pre-engineered building's (PEB) systematic frames in steel factory building, but they pose difficulties in terms of their structural performance. There are also few studies on their behavior and there is a need to develop elementary techniques by conducting loading tests on other types of braces (e.g., rod bar, rod shoe, angle), which is used in Japan and the USA. Its structural performance is compared with that of current hook bolt-type brace. Therefore, in this study, we present a basic step in the structural performance of these specimens to examine its performance qualitatively and theof application to PEB frames.
The inclusion of a ductile steel bracing as means of repairing an earthquake-damaged bridge bent is evaluated and experimentally assessed for the purposes of restoring the damaged bent's strength and stiffness and further improving the energy dissipation capacity. The study is focused on substandard reinforced concrete multi-column bridge bents constructed in the 1950 to mid-1970 in the United States. These types of bents have numerous deficiencies making them susceptible to seismic damage. Large-scale experiments were used on a two-column reinforced concrete bent to impose considerable damage of the bent through increasing amplitude cyclic deformations. The damaged bent was then repaired by installing a ductile fuse steel brace in the form of a buckling-restrained brace in a diagonal configuration between the columns and using post-tensioned rods to strengthen the cap beam. The brace was secured to the bent using steel gusset plate brackets and post-installed adhesive anchors. The repaired bent was then subjected to increasing amplitude cyclic deformations to reassess the bent performance. A subassemblage test of a nominally identical steel brace was also conducted in an effort to quantify and isolate the ductile fuse behavior. The experimental data from these large-scale experiments were analyzed in terms of the hysteretic response, observed damage, internal member loads, as well as the overall stiffness and energy dissipation characteristics. The results of this study demonstrated the effectiveness of utilizing ductile steel bracing for restoring the bent and preventing further damage to the columns and cap beams while also improving the stiffness and energy dissipation characteristics.
Seismic analysis for steel frame structure with brace configuration using topology optimization based on truss-like material model is studied. The initial design domain for topology optimization is determined according to original steel frame structure and filled with truss-like members. Hence the initial truss-like continuum is established. The densities and orientation of truss-like members at any point are taken as design variables in finite element analysis. The topology optimization problem of least-weight truss-like continuum with stress constraints is solved. The orientations and densities of members in truss-like continuum are optimized and updated by fully-stressed criterion in every iteration. The optimized truss-like continuum is founded after finite element analysis is finished. The optimal bracing system is established based on optimized truss-like continuum without numerical instability. Seismic performance for steel frame structures is derived using dynamic time-history analysis. A numerical example shows the advantage for frame structures with brace configuration using topology optimization in seismic performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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