Linfeng Lu;Songlin Ding;Yuzhou Liu;Zhaojia Chen;Zhongpeng Li
Steel and Composite Structures
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v.47
no.3
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pp.375-382
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2023
The H-shaped steel beam is popular due to its ease of manufacturing and connection to the column. This profile, which is used as a shallow beam, needs the high weak-axis bending stiffness and torsional stiffness to meet the overall stability. Achieving the local beam flange stability, bearing capacity, bending stiffness, and torsional requirements need a great thickness and width of the beam flange, which causes, which will cause more uneconomical structural design. So, the box-section beam is the ideal alternative. However, the current design specifications do not have design rules for the bolt-and-welded connection of the box-section beam and box-section column. The paper proposes a novel bolt-and-welded connection of the box-section beams and box-section columns based on a high-rise structural design scheme. Three connection models, BASE, WBF, and RBS, are analyzed under cyclic loading in ABAQUS software. The failure modes, hysteresis response, bearing capacity, ductility, plastic rotation angle, energy dissipation, and stiffness degradation of all models are determined and compared. Compared with the other two models, the model WBF exhibited excellent seismic performance, ductility, and plastic rotation ability. Finally, model WBF was chosen as the connection scheme used in the project design.
Steel shear walls are used to strengthen steel and concrete structures. One such system is Partial Attached Steel Shear Walls (PASSW), which are only connected to frame beams. This system offers both structural and architectural advantages. This study first calibrated the numerical model of RC frames with and without PASSW using an experimental sample. The seismic performance of the RC frame was evaluated by 30 non-linear static analyses, which considered stiffness, ductility, lateral strength, and energy dissipation, to investigate the effect of PASSW width and column axial load. Based on numerical results and a curve fitting technique, a lateral stiffness equation was developed for frames equipped with PASSW. The effect of the shear wall location on the concrete frame was evaluated through eight analyses. Nonlinear dynamic analysis was performed to investigate the effect of the shear wall on maximum frame displacement using three earthquake records. The results revealed that if PASSW is designed with appropriate stiffness, it can increase the energy dissipation and ductility of the frame by 2 and 1.2 times, respectively. The stiffness and strength of the frame are greatly influenced by PASSW, while axial force has the most significant negative impact on energy dissipation. Furthermore, the location of PASSW does not affect the frame's behavior, and it is possible to have large openings in the frame bay.
In this study, the cyclic behavior of Bar Damper (BD) and its effect on the seismic performance of the steel frame was investigated using numerical and analytical methods. Initially, the calibrated model was used to conduct parametric studies on the cyclic behavior of the damper. The purpose of parametric studies was to provide equations for calculating effective and elastic stiffness, ultimate strength, and energy dissipation using its diameter and height. The impact of BD on the steel frame was examined in the second section of the research. In this section, studies were conducted using pushover analysis to investigate the impact of BD on the elastic stiffness, energy absorption, ductility, and strength of the frame. The results demonstrated that increasing the height of the BDs resulted in higher energy dissipation. However, reducing the height and increasing the diameter increased effective stiffness, yield strength, and elastic stiffness. The EVDR results showed that the diameter of the damper has a negligible effect on it, and its value increases with the decrease in height. In the best case, the addition of BD causes a 23% increase in energy dissipation and a 60% increase in frame ductility.
It was found that the lateral stiffness changes obvious at the transfer position of the section configuration from SRC to RC. This particular behavior leads to that the transfer columns become as the important elements in SRC-RC hybrid structures. A comprehensive study was conducted to investigate the seismic behavior of SRC-RC transfer columns based on a low cyclic loading test of 16 transfer columns compared with 1 RC column. Test results shows three failure modes for transfer columns, which are shear failure, bond failure and bend failure. Its seismic behavior was completely analyzed about the failure mode, hysteretic and skeleton curves, bearing capacity deformation ability, stiffness degradation and energy dissipation. It is further determined that displacement ductility coefficient of transfer columns changes from 1.97 to 5.99. The stiffness of transfer columns are at the interval of SRC and RC, and hence transfer columns can play the role of transition from SRC to RC. All specimens show similar discipline of stiffness degradation and the process can be divided into three parts. Some specimens of transfer column lose bearing capacity swiftly after shear cracking and showed weak energy dissipation ability, but the others show better ability of energy dissipation than RC column.
Energy-saving block and invisible multiribbed frame composite wall (EBIMFCW) is an important shear wall, which is composed of energy-saving blocks, steel bars and concrete. This paper conducted seismic performance tests on six 1/2-scale EBIMFCW specimens, analyzed their failure process under horizontal reciprocating load, and studied the effect of axial compression ratio on the wall's hysteresis curve and skeleton curve, ductility, energy dissipation capacity, stiffness degradation, bearing capacity degradation. A formula for calculating the peak bearing capacity of such walls was proposed. Results showed that the EBIMFCW had experienced a long time deformation from cracking to failure and exhibited signs of failure. The three seismic fortification lines of the energy-saving block, internal multiribbed frame, and outer multiribbed frame sequentially played important roles. With the increase in axial compression ratio, the peak bearing capacity and ductility of the wall increased, whereas the initial stiffness decreased. The change in axial compression ratio had a small effect on the energy dissipation capacity of the wall. In the early stage of loading, the influence of axial compression ratio on wall stiffness and strength degradation was unremarkable. In the later stage of loading, the stiffness and strength degradation of walls with high axial compression ratio were low. The displacement ductility coefficients of the wall under vertical pressure were more than 3.0 indicating that this wall type has good deformation ability. The limit values of elastic displacement angle under weak earthquake and elastic-plastic displacement angle under strong earthquake of the EBIMFCW were1/800 and 1/80, respectively.
This paper describes an experimental study on the seismic performance of steel reinforced concrete (SRC) T-shaped columns. The lateral loads were applied along the web of the column with different loading histories, such as monotonic loading, mixed loading of variable amplitude cyclic loading and monotonic loading, constant amplitude cyclic loading and variable amplitude cyclic loading. The failure modes, load-displacement curves, characteristic loads and displacements, ductility, strength and stiffness degradations and energy dissipation capacity of the column were analyzed. The effects of loading history on the seismic performance were focused on. The test results show that the specimens behaved differently in the aspects of the failure mode subject to different loading history, although all the failure modes can be summarized as flexural failure. The hysteretic loops of specimens are plump, and minimum values of the failure drift angles and ductility coefficients are 1/24 and 4.64, respectively, which reflect good seismic performance of SRC T-shaped column. With the increasing numbers of loading cycles, the column reveals lower bearing capacity and ductility. The strength and stiffness of the column with variable amplitude cyclic loading degrades more rapidly than that with constant amplitude cyclic loading, and the total cumulative dissipated energy of the former is less.
To estimate the structural seismic demand, some methods are based on an equivalent linear system such as the Capacity Spectrum Method, the N2 method and the Equivalent Linearization method. Another category, widely investigated, is based on displacement correction such as the Displacement Coefficient Method and the Coefficient Method. Its basic concept consists in converting the elastic linear displacement of an equivalent Single Degree of Freedom system (SDOF) into a corresponding inelastic displacement. It relies on adequate modifying or reduction coefficient such as the inelastic deformation ratio which is usually developed for systems with known ductility factors ($C_{\mu}$) and ($C_R$) for known yield-strength reduction factor. The present paper proposes a rational approach which estimates this inelastic deformation ratio for SDOF bilinear systems by rigorous nonlinear analysis. It proposes a new inelastic deformation ratio which unifies and combines both $C_{\mu}$ and $C_R$ effects. It is defined by the ratio between the inelastic and elastic maximum lateral displacement demands. Three options are investigated in order to express the inelastic response spectra in terms of: ductility demand, yield strength reduction factor, and inelastic deformation ratio which depends on the period, the post-to-preyield stiffness ratio, the yield strength and the peak ground acceleration. This new inelastic deformation ratio ($C_{\eta}$) is describes the response spectra and is related to the capacity curve (pushover curve): normalized yield strength coefficient (${\eta}$), post-to-preyield stiffness ratio (${\alpha}$), natural period (T), peak ductility factor (${\mu}$), and the yield strength reduction factor ($R_y$). For illustrative purposes, instantaneous ductility demand and yield strength reduction factor for a SDOF system subject to various recorded motions (El-Centro 1940 (N/S), Boumerdes: Algeria 2003). The method accuracy is investigated and compared to classical formulations, for various hysteretic models and values of the normalized yield strength coefficient (${\eta}$), post-to-preyield stiffness ratio (${\alpha}$), and natural period (T). Though the ductility demand and yield strength reduction factor differ greatly for some given T and ${\eta}$ ranges, they remain take close when ${\eta}>1$, whereas they are equal to 1 for periods $T{\geq}1s$.
Ductility of open piled wharves under reversed cyclic loads has been investigated. Experimental testing of five wharf models having a scale of about 1:4 was conducted under the application of horizontal reversed cyclic loading. The experiments were designed to focus on the horizontal ultimate load, ductility and failure mode of the considered wharf models. Nonlinear numerical analyses using the finite element method were also performed on numerical models representing the experimentally tested wharves. The results of the experimental tests showed that open piled wharves possessed favourable ductile behaviour and that their load bearing capacity did not depreciate until a ductility factor of 3 to 4 was reached. The numerical analysis showed that the relative rotation that took place at the joints between the steel piles and the R.C. beam was responsible for a considerable portion of the total horizontal deformation of the wharves. Therefore, it was concluded that introducing the joint stiffness in calculating the deformations of open piled wharves was important to achieve reasonable accuracy.
Double skin composite walls offer structural and economic merits over conventional reinforced concrete counterparts in terms of higher capacity, greater stiffness, and better ductility. This paper investigated the axial behavior of double skin composite walls with steel truss connectors. Full-scaled tests were conducted on three specimens with different height-to-thickness ratios. Test results were evaluated in terms of failure mode, load-axial displacement response, buckling loading, axial stiffness, ductility, strength index, load-lateral deflection, and strain distribution. The test data were compared with AISC 360 and Eurocode 4 and it was found that both codes provided conservative predictions on the safe side.
The objective of the research stated herein is to observe the elastic and inelastic behaviors and ultimate capacity of 1:5 scale 3-story reinforced concrete frame. Pushover tests were performed to 1:5 scale 3-story reinforced concrete frames with and without infilled masonry. To simulate the earthquake effect, the lateral force distribution was maintained by an inverted triang1e by using the whiffle tree. From the test results, the relation ships between the total lateral load and the roof drift, the distribution of column shears, the relation between story shear and story drift, and the angular rotations at the critical portions of structures were obtained. The effects of infilled masonry were investigated with regards to the stiffness, strength, and ductility of structures. Final collapse modes of structures with and without infilled masonry were compared.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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