This paper describes a new type of replaceable fuse for moment resisting frames. Column-tree connections with beam splice connections are frequently preferred in the moment resisting frames since they eliminate field welding and provide good quality. In the column-tree connections, a part of the beam is welded to the column in the shop and the rest of the beam is bolted with the splice connection in the field. In this study, a replaceable reduced beam section (R-RBS) connection is proposed in order to eliminate welding process and facilitate assembly at the site. In the proposed R-RBS connection, one end is connected by a beam splice connection to the beam and the other end is connected by a bolted end-plate connection to the column. More importantly is that the proposed R-RBS connection allows the replacement of the damaged R-RBS easily right after an earthquake. Pursuant to this goal, experimental and numerical studies have been undertaken to investigate the performance of the R-RBS connection. An experimental study on the RBS connection was used to substantiate the numerical model using ABAQUS, a commercially available finite element software. Additionally, five different finite element models were developed to conduct a parametric study. The results of the analysis were compared in terms of the moment and energy absorption capacities, PEEQ, rupture and tri-axiality indexes. The design process as well as the optimum dimensions of the R-RBS connections are presented. It was also demonstrated that the proposed R-RBS connection satisfies AISC criteria based on the nonlinear finite element analysis results.
An effective seismic retrofit scheme for inverted V braced (or chevron type) steel frames was proposed by studying the redistribution of forces in the post-buckling range. The steel frames with chevron bracing are highly prone to soft story response once the compression brace buckles under earthquake loading. This paper shows that the seismic performance of such frames could be significantly improved by supplying tie bars to redistribute the inelastic deformation demand over the height of the building. A practical design method of the retrofit tie bars was also proposed by considering the sequence of buckling occurrence.
This paper firstly developed a new type of Double Skin Composite (DSC) beams using novel enhanced C-channels (ECs). The shear behaviour of novel ECs was firstly studied through two push-out tests. Eleven full-scale DSC beams with ECs (DSCB-ECs) were tested under four-point loading to study their ultimate strength behaviours, and the studied parameters were thickness of steel faceplate, spacing of ECs, shear span, and strength of concrete core. Test results showed that all the DSCB-ECs failed in flexure-governed mode, which confirmed the effective bonding of ECs. The working mechanisms of DSCB-ECs with different parameters were reported, analysed and discussed. The load-deflection (or strain) behaviour of DSCB-ECs were also detailed reported. The effects of studied parameters on ultimate strength behaviour of DSCB-ECs have been discussed and analysed. Including the experimental studies, this paper also developed theoretical models to predict the initial stiffness, elastic stiffness, cracking, yielding, and ultimate loads of DSCB-ECs. Validations of predictions against 11 test results proved the reasonable estimations of the developed theoretical models on those stiffness and strength indexes. Finally, conclusions were given based on these tests and analysis.
The aim of this experimental research is to investigate the conformity of the four-bolt unstiffened moment end-plate connections consisting of European steel sections which do not meet the limitations specified for beam flange width and overall beam depth in ANSI/AISC 358-10 to the requirements of seismic application. However, the connections are satisfactory with the limitations required by Turkish Earthquake Code. For this purpose, four test specimens were designed and cyclic load was applied to three specimens while one was tested under monotonic loading to provide data for the calibration of the analytical models. The moment-rotation hysteresis loops and the failure modes for all test specimens are presented. A full three-dimensional finite element model is also developed for each test specimen for use to predict their behavior and to provide a tool for generating subsequent extensive parametric studies. The test results show that all specimens performed well in terms of rotation capacity and strength. Finite element models are found to be capable of approximating the cyclic behavior of the extended end-plate connection specimens.
In order to investigate the accuracy and applicability of steel equivalent constitutive model, the calculated results were compared with typical tests of steel frames under static and dynamic loading patterns firstly. Secondly, four widely used models for time history analysis of steel frames were compared to discuss the applicability and efficiency of different methods, including shell element model, multi-scale model, equivalent constitutive model (ECM) and traditional beam element model (especially bilinear model). Four-story steel frame models of above-mentioned finite element methods were established. The structural deformation, failure modes and the computational efficiency of different models were compared. Finally, the equivalent constitutive model was applied in seismic incremental dynamic analysis of a ten-floor steel frame and compared with the cyclic hardening model without considering damage and degradation. Meanwhile, the effects of damage and degradation on the seismic performance of steel frame were discussed in depth. The analysis results showed that: damages would lead to larger deformations. Therefore, when the calculated results of steel structures subjected to rare earthquake without considering damage were close to the collapse limit, the actual story drift of structure might already exceed the limit, leading to a certain security risk. ECM could simulate the damage and degradation behaviors of steel structures more accurately, and improve the calculation accuracy of traditional beam element model with acceptable computational efficiency.
An investigation of the effectiveness of the interface treatment when column concrete jacketing is performed is presented. Alternative methods of interface connection were used in order to investigate the performance of strengthened concrete columns. These connecting techniques involved roughening the surface of the original column, embedding steel dowels into the original column and a combination of these two techniques. The experimental program included three strengthened specimens, one original specimen (unstrengthened) and one as-built specimen (monolithic). The specimens represented half height full-scale old Greek Code (1950's) designed ground floor columns of a typical concrete frame building. The jackets of the strengthened specimens were constructed with shotcrete. All specimens were subjected to displacement controlled earthquake simulation loading. The seismic performance of the strengthened specimens is compared to both the original and the monolithic specimens. The comparison was performed in terms of strength, stiffness and hysteretic response. The results demonstrate the effectiveness of the strengthening methods and indicate that the proper construction of a jacket can improve the behaviour of the specimens up to a level comparable to monolithic behaviour. It was found that different methods of interface treatment could influence the failure mechanism and the crack patterns of the specimens. It was also found that the specimen that combined roughening with dowel placement performed the best and all strengthened columns were better at dissipating energy than the monolithic specimen.
Usually the analyses of structures are carried out by assuming the base of structures to be fixed. However, the soil beneath foundation alters the earthquake loading and varies the response of structure. Hence, it is not realistic to analyze structures by considering it to be fixed. The importance of soil-structure interaction was realized from the past failures of massive structures by neglecting the effect of soil in seismic analysis. The analysis of massive structures requires soil flexibility to be considered to avoid failure and ensure safety. Present study, considers the seismic behavior of multi-storey reinforced concrete narrow and wide buildings of various heights with and without shear wall supported on raft foundation incorporating the effect of soil flexibility. Analysis of the three dimensional models of six different shear wall positions founded on four different soils has been carried out using finite element software LS DYNA. The study investigates the differences in spectral acceleration coefficient (Sa/g), base shear and storey shear obtained following the seismic provisions of Indian standard code IS: 1893 (2002) (IS) and International building code IBC: 2012 (IBC). The base shear values obtained as per IBC provisions are higher than IS values.
The damping effect of a Concrete-filled Rectangular Steel Tube (CRST) frame structure is studied in this paper. Viscous dampers are employed to insure the function of the building especially subjected to earthquakes, for some of the main vertical elements of the building are not continuous. The shaking table test of a 1:15 scale model was conducted under different earthquake excitations to recognize the seismic behavior of this building. And the vibration damping effect was also investigated by the shaking table test and the simulation analysis. The nonlinear time-history analysis of the shaking table test model was carried out by the finite element analysis program CANNY. The simulation model was constructed in accordance with the tested one and was analyzed under the same loading condition and the simulation effect was then validated by the tested results. Further more, the simulation analysis of the prototype structure was carried out by the same procedure. Both the simulated and tested results indicate that there are no obvious weak stories on the damping equipped structure, and the dampers can provide the probability of an irregular CRST frame structure to meet the requirements of the design code on energy dissipation and deformation limitation.
ASCE/SEI 41-13 provides modeling parameters and numerical acceptance criteria for various types of members that are useful for evaluating the seismic performance of reinforced concrete (RC) building structures. To accurately evaluate the global performance of a coupled wall system, it is crucial to first properly define the component behaviors (i.e., force-displacement relationships of shear walls and coupling beams). However, only a few studies have investigated on the modeling of RC coupling beams subjected to earthquake loading to date. The main objective of this study is to assess the reliability of ASCE 41-13 modeling parameters specified for RC coupling beams with various design details, based on a database compiling almost all coupling beam tests available worldwide. Several recently developed coupling beam models are also reviewed. Finally, a rational method is proposed for determining the chord yield rotation of RC coupling beams.
In this study, inelastic displacement ratios are investigated for existing systems with known lateral strength considering soil structure interaction. For this purpose, SDOF systems for period range of 0.1-3.0 s with different hysteretic behaviors are considered for a number of 18 earthquake motions recorded on soft soil. The effect of stiffness degradation on inelastic displacement ratios is investigated. The Modified Clough model is used to represent structures that exhibit significant stiffness degradation when subjected to reverse cyclic loading and the elastoplastic model is used to represent non-degrading structures. Soil structure interaction analyses are conducted by means of equivalent fixed base model effective period, effective damping and effective ductility values differing from fixed-base case. For inelastic time history analyses, Newmark method for step by step time integration was adapted in an in-house computer program. A new equation is proposed for inelastic displacement ratio of system with SSI with elastoplastic or degrading behavior as a function of structural period ($\tilde{T}$), strength reduction factor (R) and period lengthening ratio ($\tilde{T}$/T). The proposed equation for $\tilde{C}_R$ which takes the soil-structure interaction into account should be useful in estimating the inelastic deformation of existing structures with known lateral strength.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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