Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.18
no.2
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pp.109-119
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2018
In this paper a systematic numerical analysis is performed to obtain the energy dissipation and re-centering capacities of diagonal steel braced frames subjected to cyclic loading. This diagonal steel bracing systems are fabricated with super-elastic SMA (Shape Memory Alloy) braces in order to develop a recentering seismic resistance system without residual deformation. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the horizontal stiffness, drifts and failure modes of the re-centering bracing systems.
In this paper, seismic provisions related to built-up special concentrically braced frames (BSCBFs) are investigated under cyclic loading using non-linear finite element analysis of a single-bay single-story frame. These braces, which contain double angle and double channel brace sections, are considered in two types of single diagonal and X-braced frames. The results of this study show that current seismic provisions such as observing the 0.4 ratio for slenderness ratio of individual elements between stitch connectors are conservative in BSCBFs, and can be increased according to the type of braces. Furthermore, such increments will lead to decreasing or remaining the current middle protected zone requirements of each BSCBFs. Failure results of BSCBFs, which are related to the plastic equivalent strain growth of members and ductility capacity of the models, show that the behaviors of double channel back-to-back diagonal braces are more desirable than those of similar face-to-face ones. Also, for double angle diagonal braces, results show that the failure of back-to-back BSCBFs occurs faster in comparison with face-to-face similar braces. In X-braced frames, cyclic and failure behaviors of built-up face-to-face models are more desirable than similar back-to-back braces in general.
Husem, Metin;Demir, Serhat;Park, Hong G.;Cosgun, Suleyman I.
Structural Engineering and Mechanics
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v.59
no.6
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pp.1121-1137
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2016
A large number of structure in the world were build with poor seismic details, with or without any lateral load resisting system like concentrically braced frames and steel plate shear walls. These structures can reveal deteriorating hysteretic behaviors with stiffness and strength degradation. Therefore, seismic retrofitting of such structures for drift control has vital importance. In this study a retrofit methodology has been developed, which involves diagonal bracing of steel frames with different cable arrangements. In the experimental and numerical program 5 different lateral load resisting system were tested and results compared with each other. The results indicated that multi-cable arrangements suggested in this study showed stable ductile behavior without any sudden decrease in strength. Due to the usage of more than one diagonal cable, fracture of any cable did not significantly affect the overall strength and deformation capacity of the system. In cable braced systems damages concentrated in the boundary zones of the cables and beams. That is why boundary zone must have enough stiffness and strength to resist tension field action of cables.
Knee Braced Frame (KBF) is a special form of ductile eccentrically braced frame having a diagonal brace connected to a knee element, as a hysteretic damper, instead of beam-column joint. This paper first presents an experimental investigation on cyclic performance of two knee braced single span one-story frame specimens. The general test arrangement, specimen details, and most relevant results (failure modes and hysteretic curves) are explained. Some indexes to assess the seismic performance of KBFs, including ductility; response reduction factor and energy dissipation capabilities are also subsequently discussed. Experimental results indicate that the maximum equivalent damping ratios achieved by test frames are 21.8 and 23% for the specimens, prior to failure. Finally, a simplified analytical model is derived to predict the bilinear behavior of the KBFs. Acceptable conformity between analytical and experimental results proves the accuracy of the proposed model.
Denise-Penelope N. Kontoni;Ali Ghamari;Chanachai Thongchom
Steel and Composite Structures
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v.47
no.2
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pp.185-201
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2023
Despite the high lateral stiffness and strength of the Concentrically Braced Frame (CBF), due to the buckling of its diagonal members, it is not a suitable system in high seismic regions. Among the offered methods to overcome the shortcoming, utilizing a metallic damper is considered as an appropriate idea to enhance the behavior of Concentrically Braced Frames (CBFs). Therefore, in this paper, an innovative steel damper is proposed, which is investigated experimentally and numerically. Moreover, a parametrical study was carried out to evaluate the effect of the mechanism (shear, shear-flexural, and flexural) considering buckling mode (elastic, inelastic, and plastic) on the behavior of the damper. Besides, the necessary formulas based on the parametrical study were presented to predict the behavior of the damper that they showed good agreement with finite element (FE) results. Both experimental and numerical results confirmed that dampers with the shear mechanism in all buckling modes have a better performance than other dampers. Accordingly, the FE results indicated that the shear damper has greater ultimate strength than the flexural damper by 32%, 31%, and 56%, respectively, for plates with elastic, inelastic, and plastic buckling modes. Also, the shear damper has a greater stiffness than the flexural damper by 43%, 26%, and 53%, respectively, for dampers with elastic, inelastic, and plastic buckling modes.
Eccentrically braced frames (EBFs) are utilized as a lateral resisting system in high seismic zones. Links are the primary source of energy dissipation and they are exposed to high deformation, which may lead to buckling. Web stiffeners were introduced to prevent buckling of shear link. AISC 341 provides the required vertical stiffeners for a shear link. In this study, different stiffener configurations were examined. The main objective is to improve the behavior of short links using different stiffener configurations. Pursuant to this goal, a comprehensive numerical study is conducted using ABAQUS. Shear links with different stiffener configurations were subjected to cyclic loading using loading protocol mandated by AISC 341. The results are compared in terms of energy dissipation and shear capacities and rupture index. The proposed stiffener configurations were further verified with different link length ratios, I-shapes and thickness of stiffener. Based on the results, the stiffener configuration with two vertical and two diagonal stiffeners perpendicular to each other is recommended. The proposed stiffener configuration can increase the shear capacity, energy dissipation capacity and the ratio of energy/weight up to 27%, 38% and 30%, respectively. Detailing of the proposed stiffener configuration is presented.
Reza Khalili Sarbangoli;Ahmad Maleki;Ramin K. Badri
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.239-252
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2024
Steel plate shear walls (SPSWs) are classified as lateral load-resisting systems. The feasibility of openings in the steel plate is a characteristic of SPSWs. The use of openings in SPSWs can lower the load capacity, stiffness, and energy dissipation. This study proposes a novel form of SPSWs that provides convenient access through openings by combining steel plates and eccentrically braced frames (EBFs). The proposed system also avoids a substantial reduction in the strength and stiffness. Hence, various geometric forms were analyzed through two different structural approaches. Groups 1, 2, and 3 included a steel EBF with a steel plate between the column and EBF in order to improve system performance. In Group 4, the proposed system was evaluated within an SPSW with openings and an EBF on the opening edge. To evaluate the performance of the proposed systems, the nonlinear finite element method (NL-FEM) was employed under cyclic loading. The hysteresis (load-drift) curve, stress contour, stiffness, and damping were evaluated as the structural outputs. The numerical models indicated that local buckling within the middle plate-EBF connection prevented a diagonal tension field. Moreover, in group 4, the EBF and stiffeners on the opening edge enhanced the structural response by approximately 7.5% in comparison with the base SPSW system.
The Theory of Plastic Mechanism Control (TPMC) has been recently extended to the case of Eccentrically Braced Frames (EBFs) with inverted Y-scheme, i.e., EBFs with vertical links. In this paper a further validation of the design procedure, based on TPMC, is provided by means of Incremental Dynamic Analyses (IDA) pointing out the fulfilment of the design goal, i.e., the development of a pattern of yielding consistent with the collapse mechanism of global type where all the links are yielded and all the beams are yielded at their ends while all the columns and the diagonal braces remain in elastic range with the only exception of the base sections of first storey columns. In particular, a study case is designed according to both TPMC and Eurocode 8 provisions and the corresponding seismic performances are investigated by both push-over and IDA analyses. The results show the different performances obtained in terms of pattern of yielding, maximum interstorey drift, link plastic rotation demand and sharing of the seismic base shear between the moment-resisting part and the bracing part of the structural system. The seismic performance improvement obtained by means of TPMC, compared to Eurocode 8 provisions, is pointed out.
Bazzaz, Mohammad;Andalib, Zahra;Kheyroddin, Ali;Kafi, Mohammad Ali
Steel and Composite Structures
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v.19
no.4
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pp.917-937
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2015
During a seismic event, a considerable amount of energy is input into a structure. The law of energy conservation imposes the restriction that energy must either be absorbed or dissipated by the structure. Recent earthquakes have shown that the use of concentric bracing system with their low ductility and low energy dissipation capacity, causes permanent damage to structures during intense earthquakes. Hence, engineers are looking at bracing system with higher ductility, such as chevron and eccentric braces. However, braced frame would not be easily repaired if serious damage has occured during a strong earthquake. In order to solve this problem, a new bracing system an off-centre bracing system with higher ductility and higher energy dissipation capacity, is considered. In this paper, some numerical studies have been performed using ANSYS software on a frame with off-centre bracing system with optimum eccentricity and circular element created, called OBS_C_O model. In addition, other steel frame with diagonal bracing system and the same circular element is created, called DBS_C model. Furthermore, linear and nonlinear behavior of these steel frames are compared in order to introduce a new way of optimum performance for these dissipating elements. The obtained results revealed that using a ductile element or circular dissipater for increasing the ductility of off-centre bracing system and centric bracing system is useful. Finally, higher ductility and more energy dissipation led to more appropriate behavior in the OBS_C_O model compared to DBS_C model.
The insertion of steel braces has become a common technique to limit the deformability of steel framed buildings subjected to wind loads. However, when this technique is inadequate to keep floor accelerations within acceptable levels of human comfort, dampers placed in series with the steel braces can be adopted. To check the effectiveness of braces equipped with viscoelastic (VEDs) or friction dampers (FRDs), a numerical investigation is carried out focusing attention on a three-bay fifteen-storey steel framed building with K-braces. More precisely, three alternative structural solutions are examined for the purpose of controlling wind-induced vibrations: the insertion of additional diagonal braces; the insertion of additional diagonal braces equipped with dampers; the insertion of both additional diagonal braces and dampers supported by the existing K-braces. Additional braces and dampers are designed according to a simplified procedure based on a proportional stiffness criterion. A dynamic analysis is carried out in the time domain using a step-by-step initial-stress-like iterative procedure. Along-wind loads are considered at each storey assuming the time histories of the wind velocity, for a return period $T_r=5$ years, according to an equivalent wind spectrum technique. The behaviour of the structural members, except dampers, is assumed linear elastic. A VED and an FRD are idealized by a six-element generalized model and a bilinear (rigid-plastic) model, respectively. The results show that the structure with damped additional braces can be considered, among those examined, the most effective to control vibrations due to wind, particularly the floor accelerations. Moreover, once the stiffness of the additional braces is selected, the VEDs are slightly more efficient than the FRDs, because they, unlike the FRDs, dissipate energy also for small amplitude vibrations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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