This paper presents a review on progressive collapse mechanism of steel framed buildings exposed to fire. The influence of load ratios, strength of structural members (beam, column, slab, connection), fire scenarios, bracing systems, fire protections on the collapse mode and collapse time of structures is comprehensively reviewed. It is found that the key influencing factors include load ratio, fire scenario, bracing layout and fire protection. The application of strong beams, high load ratios, multi-compartment fires will lead to global downward collapse which is undesirable. The catenary action in beams and tensile membrane action in slabs contribute to the enhancement of structural collapse resistance, leading to a ductile collapse mechanism. It is recommended to increase the reinforcement ratio in the sagging and hogging region of slabs to not only enhance the tensile membrane action in the slab, but to prevent the failure of beam-to-column connections. It is also found that a frame may collapse in the cooling phase of compartment fires or under travelling fires. This is because that the steel members may experience maximum temperatures and maximum displacements under these two fire scenarios. An edge bay fire is more prone to induce the collapse of structures than a central bay fire. The progressive collapse of buildings can be effectively prevented by using bracing systems and fire protections. A combination of horizontal and vertical bracing systems as well as increasing the strength and stiffness of bracing members is recommended to enhance the collapse resistance. A protected frame dose not collapse immediately after the local failure but experiences a relatively long withstanding period of at least 60 mins. It is suggested to use three-dimensional models for accurate predictions of whether, when and how a structure collapses under various fire scenarios.
Buckling restrained bracing (BRB) was firstly introduced in Japan construction industry in year 1989. With time, BRB performance has been advanced to self-centering BRB (SC-BRB) which has exceptional energy dissipation, addressing the improvement in the structure performance in post-seismic affect. Although the BRB performance specifications are defined in design codes of several countries, specific design provisions are not generally provided since BRBs are usually considered a manufactured device. Furthermore, most of review papers focused on BRB rather than SC-BRB. Thus, this paper explores the background of both BRB and SC-BRB. The importance of self-centering components in BRB and literature related to it have been studied. This review study also highlights the significance of corrosion-resistance materials in the configuring BRB and SC-BRB since most of such members are made of carbon steel that is susceptible to corrosion.
The purpose of this study is to investigate the linear earthquake behavior of the frame structures including subsoil with different stiffening members and to compare the results of each frame considered. These comparisons are made separately for displacement, bending moments and axial forces for frames with different storey and bay numbers for the time history and the modal analyses. The results of both methods are also compared. The results of the frames with subsoil are also compared with the results of the frames without subsoil. It is concluded that all stiffening members considered in this study decrease the lateral displacement of the frame and the bending moment of the columns and increase the axial force in the columns and that configuration of the bracing members come out to be an important parameter in braced frames since the frames with the same type of bracing give different results depending on configuration. It is also concluded that, in general, the absolute maximum displacements of the frames modeled with subsoil are larger than those of the frames modeled without subsoil.
The friction damper can be used for improving the seismic resistance of existing buildings. The damper is often installed in bracing members. The energy dissipation capacity of the damping systems depends on the type of the structure, the configuration of the bracing members, and the property of dampers. In Korea, there are numerous low- to mid-rise reinforced concrete moment frames that were constructed considering only gravity loads. Those frames may be vulnerable for future earthquakes. To resolve the problem, this study developed a toggle bracing system with a high density friction damper. To investigate the improvement of reinforced concrete frames after retrofit using the developed damped system, experimental tests were conducted on frame specimens with and without the damped system. The results showed that the maximum strength, initial stiffness and energy dissipation capacity of the framed with the damped system were much larger than those of the frame without the damped system.
Truss members built-up with double angles back-to-back have monosymmetric cross-section and twisting always accompanies flexion upon the onset of buckling about the axis of symmetry. Approximate formulae for calculating the buckling capacity are presented in this paper for routine design purpose. For a member susceptible only to flexural buckling, its optimal cross-section should consist of slender plate elements so as to get larger radius of gyration. But, occurrence of twisting changes the situation owing to the weakness of thin plates in resisting torsion. Criteria for limiting the leg slenderness are discussed herein. Truss web members in compression are usually considered as hinged at both ends for out-of-plane buckling. In case one (or both) end of member is not supported laterally by bracing member, its adjoining members have to provide an elastic support of adequate stiffness in order not to underdesign the member. The stiffness provided by either compression or tension chords in different cases is analyzed, and the effect of initial crookedness of compression chord is taken into account. Formulae are presented to compute the required stiffness of chord member and to determine the effective length factor for inadequately constrained compressive diagonals.
This study presents the strength of braced and unbraced cold-formed steel wall frames consisting of several wall studs acting as columns, top and bottom tracks, and bracing members. The strength and the buckling mode of steel wall frames were found to be different due to the change of bracing type. In addition, the spacing of wall studs is a crucial factor to the strength of steel wall frames. The comparisons were made between the test results and the predictions computed based on AISI Code. The related specifications do not clearly provides the effective length factors for the member of cold-formed steel frame under compression. This paper proposes effective length factors for the steel wall frames based on the test results. A theoretical model is also derived to obtain the modulus of elastic support provided by the bracing at mid-height of steel wall frames in this research.
Hassan, M.S.;Salawdeh, S.;Hunt, A.;Broderick, B.M.;Goggins, J.
Advances in Computational Design
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제3권3호
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pp.233-267
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2018
Conventional seismic design of concentrically braced frame (CBF) structures suggests that the gusset plate connecting a steel brace to beams and/or columns should be designed as non-dissipative in earthquakes, while the steel brace members should be designed as dissipative elements. These design intentions lead to thicker and larger gusset plates in design on one hand and a potentially under-rated contribution of gusset plates in design, on the other hand. In contrast, research has shown that compact and thinner gusset plates designed in accordance with the elliptical clearance method rather than the conventional standard linear clearance method can enhance system ductility and energy dissipation capacity in concentrically braced steel frames. In order to assess the two design methods, six cyclic push-over tests on full scale models of concentric braced steel frame structures were conducted. Furthermore, a 3D finite element (FE) shell model, incorporating state-of-the-art tools and techniques in numerical simulation, was developed that successfully replicates the response of gusset plate and bracing members under fully reversed cyclic axial loading. Direct measurements from strain gauges applied to the physical models were used primarily to validate FE models, while comparisons of hysteresis load-displacement loops from physical and numerical models were used to highlight the overall performance of the FE models. The study shows the two design methods attain structural response as per the design intentions; however, the elliptical clearance method has a superiority over the standard linear method as a fact of improving detailing of the gusset plates, enhancing resisting capacity and improving deformability of a CBF structure. Considerations were proposed for improvement of guidelines for detailing gusset plates and bracing members in CBF structures.
This paper presents a new type of pre-pressed spring self-centering energy dissipation (PS-SCED) bracing system that combines friction mechanisms between the inner and outer tube members to provide the energy dissipation with the pre-pressed combination disc springs installed on both ends of the brace to provide the self-centering capability. The mechanics and the equations governing the design and hysteretic responses of the bracing system are outlined, and a series of validation tests of components comprising the self-centering mechanism of combination disc springs, the friction energy dissipation mechanism, and a large scale PS-SCED bracing specimen were conducted due to the low cyclic reversed loadings. Experimental results demonstrate that the proposed bracing system performs as predicted by the equations governing its mechanical behaviors, which exhibits a stable and repeatable flag-shaped hysteretic response with excellent self-centering capability and appreciable energy dissipation, and large ultimate bearing and deformation capacities. Results also show that almost no residual deformation occurs when the friction force is less than the initial pre-pressed force of disc springs.
Modular structures consist of standardized modules and their connections. A modular bridge pier is proposed to accelerate bridge construction. Multiple concrete-filled steel tubes (CFTs) using commercial steel tubes were chosen as the main members. Buckling restrained bracings and enhanced connection details were designed to prevent premature low-cycle fatigue failure upon cyclic loading. The pier had a height of 7.95 m, widths of 2.5 m and 2.0 m along the strong and weak axis, respectively. Cyclic tests were performed on the modular pier to investigate structural performance. Test results showed that four CFT columns reached yielding without a premature failure of the bracing connections. The ultimate capacity of the modular pier was reasonably estimated based on the plastic-hinge-analysis concept. The modular CFT pier with enhanced bracing showed improved displacement ductility without premature failure at the welding joints.
Cross-beams of modern through truss bridges are connected to truss chord at its nodes and between them. It results in variable rotational end restraint for cross-beams, thus variable bending moment distribution. This feature is captured in three-dimensional modelling of through truss bridge structure. However, for preliminary design or rapid assessment of service load effects such technique of analysis may not be available. So an analytical method of assessment of rotational end restraint for cross-beam of through truss bridges was worked out. Two cases - nodal cross-beam and inter-nodal cross-beam - were analyzed. Flexural and torsional stiffness of truss members, flexural stiffness of deck members and axial stiffness of wind bracing members in the vicinity of the analyzed cross-beam were taken into account. The provision for reduced stiffness of the X-type wind bracing was made. Finally, general formula for assessment of rotational end restraint was given. Rotational end restraints for cross-beams of three railway through truss bridges were assessed basing on the analytical method and the finite element method (three-dimensional beam-element modelling). Results of both methods show good agreement. The analytical method is able to reflect effects of some structural irregularities. On the basis of the obtained results the general values of rotational end restraint for nodal and inter-nodal cross-beams of railway through truss bridges were suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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