The steel structure is an assembly of individual structural members joined together by connections. The connections are the focal point to transfer the forces which is susceptible to damage easily. It is challenging to replace the affected connection parts after an earthquake. Hence, steel plates are utilised as a structural fuse that absorbs connection forces and fails first. The objective of the present research is to develop a beam-column end plate connection with single and dual fuse and study the effect of single fuse, dual fuse and combined action of fuse and damper. In this research, seismic resilient beam-column end plate connection is developed in the form of structural fuse. The novel connection consists of one main fuse was placed horizontally and secondary fuse was placed vertically over main fuse. The specimens are fabricated with the variation in number of fuse (single and dual) and position of fuse (beam flange top and bottom). From the fabricated ten specimens five specimens were loaded monotonically and five cyclically. The experimental results are compared with Finite Element Analysis results of Arunkumar and Umamaheswari (2022). The results are critically assessed in the aspect of moment-rotation behaviour, strain in connection components, connection stiffness, energy dissipation characteristics and ductility. While comparing the performance of total five specimens, the connection with fuse exhibited superior performance than the conventional connection. An equation is proposed for the moment of resistance of end-plate connection without and with structural fuse.
Mohammadi, Masoud;Kafi, Mohammad A.;Kheyroddin, Ali;Ronagh, Hamid R.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.2
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pp.163-177
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2020
Concentrically Braced Frames (CBFs) are commonly used in the construction of steel structures because of their ease of implementation, rigidity, low lateral displacement, and cost-effectiveness. However, the principal disadvantage of this kind of braced frame is the inability to provide deformation capacity (ductility) and buckling of bracing elements before yielding. This paper aims to present a novel Composite Buckling Restrained Fuse (CBRF) to be utilized as a bracing segment in concentrically braced frames that allows higher ductility and removes premature buckling. The proposed CBRF with relatively small dimensions is an enhancement on the Reduced Length Buckling Restrained Braces (RL-BRBs), consists of steel core and additional tensile elements embedded in a concrete encasement. Employing tensile elements in this composite fuse with a new configuration enhances the energy dissipation efficiency and removes the tensile strength limitations that exist in bracing elements that contain RL-BRBs. Here, the optimal length of the CBRF is computed by considering the anticipated strain demand and the low-cyclic fatigue life of the core under standard loading protocol. An experimental program is conducted to explore the seismic behavior of the suggested CBRF compare with an RL-BRB specimen under gradually increased cyclic loading. Moreover, Hysteretic responses of the specimens are evaluated to calculate the design parameters such as energy dissipation potential, strength adjustment factors, and equivalent viscous damping. The findings show that the suggested fuse possess a ductile behavior with high energy absorption and sufficient resistance and a reasonably stable hysteresis response under compression and tension.
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.
Garoosi, Allah Reza Moradi;Roudsari, Mehrzad Tahamouli;Hashemi, Behrokh Hosseini
Steel and Composite Structures
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v.34
no.6
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pp.863-875
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2020
After medium or strong earthquakes, damage in the reduced portion of RBS connections occurs due to plastic deformations. The purpose of this paper is to numerically and experimentally investigate the reduced depth section connection as a replaceable fuse. In this regard, three commonly used rigid connections with RBS, a replaceable fuse with RBS, and a replaceable fuse with Reduced Depth Section (RDS-F) were evaluated. All specimens were subjected to quasi-static cyclic load until failure. Although the final strength of the RDS-F is lower than that of the other two, laboratory results showed that it had the maximum ductility among the three samples. The numerical models of all three laboratory samples were constructed in ABAQUS, and the results were verified with great accuracy. The results of more than 28 numerical analyses showed that the RDS-F sample is more ductile than the other specimens. Moreover, the thickness of the web and the plastic section modulus increasing, the final strength would be equal to the other specimens. Therefore, the modified RDS-F with replaceability after an earthquake can be a better alternative for RBS connections.
This paper presents the experimental investigation into a new type of steel-concrete hybrid outrigger system developed for the high-rise building structure. The steel truss is embedded into the reinforced concrete outrigger wall, and both the steel truss and concrete outrigger wall work compositely to enhance the overall structural performance of the tower structures under extreme loads. Meanwhile, metal dampers of low-yield steel material were also adopted as a 'fuse' device between the hybrid outrigger and the column. The damper is engineered to be 'scarified' and yielded first under moderate to severe earthquakes in order to protect the structural integrity of important structural components of the hybrid outrigger system. As such, not brittle failure is likely to happen due to the severe cracking in the concrete outrigger wall. A comprehensive experimental research program was conducted into the structural performance of this new type of hybrid outrigger system. Studies on both the key component and overall system tests were conducted, which reveal the detailed structural response under various levels of applied static and cyclic loads. It was demonstrated that both the steel bracing and concrete outrigger wall are able to work compositely with the low-yield steel damper and exhibits both good load carrying capacities and energy dispersing performance through the test program. It has the potential to be applied and enhance the overall structural performance of the high-rise structures over 300 m under extreme levels of loads.
In this study, a new structural bracing system named 'Hat Knee Bracing' (HKB) is presented. In this structural system, a special form of diagonal braces, which is connected to the knee elements instead of beam-column joints, is investigated. The diagonal elements provide lateral stiffness during moderate earthquakes. However the knee elements, which is a fuse-like component, is designed to have one plastic joint in the knee elements for dissipation of the energy caused by strong earthquake. First, a suitable shape for brace and knee elements is proposed through elastic studying of the system and several practical parameters are established. Afterward, by developing applicable and highly accurate models in Drain-2DX, the inelastic behavior of the system is carefully considered. In addition, with inelastic study of the new bracing system and comparison with the prevalent Knee Bracing Frame system (KBF model) in nonlinear static and dynamic analysis, the seismic behavior of the new bracing system is reasonably evaluated.
The primary objectives of this research are to investigate the energy factor response of steel moment resisting frame (MRF) systems equipped with fuses subject to ground motions and to develop an energy-based evaluation approach for evaluating the damage-control behavior of the system. First, the energy factor of steel MRF systems with fuses below the resilience threshold is derived utilizing the energy balance equation considering bilinear oscillators with significant post-yielding stiffness ratio, and the effect of structural nonlinearity on the energy factor is investigated by conducting a parametric study covering a wide range of parameters. A practical transformation approach is also proposed to associate the energy factor of steel MRF systems with fuses with classic design spectra based on elasto-plastic systems. Then, the energy balance is extended to structural systems, and an energy-based procedure for damage-control evaluation is proposed and a damage-control index is also derived. The approach is then applied to two types of steel MRF systems with fuses to explore the applicability for quantifying the damage-control behavior. The rationality of the proposed approach and the accuracy for identifying the damage-control behavior are demonstrated by nonlinear static analyses and incremental dynamic analyses utilizing prototype structures.
Seismic excitations may impart a significant amount of energy into structures. Modern structural design attitudes tend to absorb some part of this energy through special dissipaters instead of heavy plastic deformations on the structural members. Different types of dissipater have been generated and utilized in various types of structures in last few decades. The expected earthquake damage is mainly concentrated on these devices and they may be replaced after earthquakes. In this study, a low-cost device called energy dissipative steel cushion (EDSC) made of flat mild steel was developed and tested in the Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEELab) of Istanbul Technical University (ITU). The monotonic and cyclic tests of EDSC were performed in transversal and longitudinal directions discretely. Very large deformation capability and stable hysteretic behavior are some response properties observed from the tests. Load vs. displacement relations, hysteretic energy dissipation properties as well as the closed form equations to predict the behavior parameters are presented in this paper.
A novel all-steel miniature bar-type structural fuse (MBSF) with cold formed bolted connections is developed in this study, which consists of a central energy dissipation core cut from a smooth round bar, an external confining tube and nuts. Three types of cross sections for the central energy dissipation core, i.e., triple-cut, double-cut and single-cut cross sections, were studied. Totally 18 specimens were axially tested under either symmetric or asymmetric cyclic loading histories, where the parameters such as cut cross sectional area ratio, length of the yielding portion and cross sectional type were investigated. Numerical simulation of 2 representative specimens were also conducted. An analytical model to evaluate the bending failure at the elastic portion was proposed, and a design method to avoid this failure mode was also presented. The experimental results show that the proposed MBSFs exhibit satisfactory hysteretic performance under both the two cyclic loading histories. Average strain values of 8% and 4% are found to be respectively suitable for designing the new MBSFs as the ultimate strain under the symmetric and asymmetric cyclic loadings.
The rotation capacities of the plastic hinges located at beam-ends are significantly reduced in traditional steel framed-tube structures (SFTSs) because of the small span-to-depth ratios of the deep beams, leading to the low ductility and energy dissipation capacities of the SFTSs. High-strength steel framed-tube structures with replaceable shear links (HSSFTS-RSLs) are proposed to address this issue. A replaceable shear link is located at the mid-span of a deep spandrel beam to act as a ductile fuse to dissipate the seismic energy in HSSFTS-RSLs. A 2/3-scaled HSSFTS-RSL specimen with a shear link fabricated of high-strength low-alloy Q355 structural steel was created, and a cyclic loading test was performed to study the hysteresis behaviors of this specimen. The test results were compared to the specimens with soft steel shear links in previous studies to investigate the feasibility of using high-strength low-alloy steel for shear links in HSSFTS-RSLs. The effects of link web stiffener spaces on the cyclic performance of the HSSFTS-RSLs with Q355 steel shear links were investigated based on the nonlinear numerical analysis. The test results indicate that the specimen with a Q355 steel shear link exhibited a reliable and stable seismic performance. If the maximum interstory drift of HSSFTS-RSL is designed lower than 2% under earthquakes, the HSSFTS-RSLs with Q355 steel shear links can have similar seismic performance to the structures with soft steel shear links, even though these shear links have similar shear and flexural strength. For the Q355 steel shear links with web height-to-thickness ratios higher than 30.7 in HSSFTS-RSLs, it is suggested that the maximum intermediate web stiffener space is decreased by 15% from the allowable space for the shear link in AISC341-16 due to the analytical results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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