Kim, Dal Sung;Kim, Dong Seong;Kim, Kee Dong;Ko, Man Gi
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.2A
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pp.233-242
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2008
This study presents a non-prismatic beam element for modeling the elastic and inelastic behavior of steel beams, which have the post-Northridge(cover plate) connections in steel moment frames that are subjected to earthquake ground motions. The elastic stiffness matrix for non-prismatric members with increased beam section (IBS) connection is in the closed-form. The plasticity model is of a discrete type and is composed of a series of nonlinear hinges connected by rigid links. The hardening rules can model the inelastic behavior for monotonic and random cyclic loading, and the effects of local buckling. Moreover the determination of yield surfaces, stiffness parameters, and hardening (or softening) rule parameters for IBS beam element were described. Analytical results of the IBS beam element show good correlation with test data and FEM results.
The ultimate strength testing of a two-story, single-bay, and sway allowed space steel frame was performed. Considering a majority of large-scale frame tests in the past, only two-dimensional frames were experimentally studied. Therefore, three-dimensional experiment is needed to extend the knowledge of this field. The steel frame subjected to non-proportional vertical and horizontal load was tested. The load-displacement curve of the test frame is provided. The experiment results are useful for verification of the three-dimensional numerical analysis. The results obtained from 3D non-linear analysis using ABAQUS were compared with experimental data.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.2
s.48
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pp.11-19
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2006
In this paper the seismic performances of 4, 10, and 30-story staggered truss systems (STS) were evaluated by observing the force-displacement relationship up io failure. The results were compared with the seismic performance of conventional moment resisting frames and braced frames. According to the analysis results, the STS showed relatively satisfactory lateral load resisting capability. However, in the mid- to high-rise STS, plastic hinges formed first at the chords were transferred to vertical members of the vierendeel panels, which formed a week link and subsequently leaded to brittle collapse of the structure. Therefore to enhance the ductility of STS it would be necessary to reinforce the vertical bracing members of the virendeel panels so that the plastic hinges, once toned in cord members of a virendeel panel, spread out to virendeel panels of neighboring stories.
The tied braced frame (TBF) system was developed to achieve uniform seismic inelastic demand along the height of multi-storey eccentrically braced steel frames. A modular tied braced frame (M-TBF) configuration has been recently proposed to reach the same objective while reducing the large axial force demand imposed on the vertical tie members connecting the link beams together in TBFs. M-TBFs may however experience variations in storey drifts at levels where the ties have been removed to form the modules. In this paper, the possibility of reducing the discontinuity in displacement response of a 16-storey M-TBF structure by introducing energy dissipating (ED) devices between the modules is examined. Two M-TBF configurations are investigated: an M-TBF with two 8-storey modules and an M-TBF with four 4-storey modules. Three types of ED devices are studied: friction dampers (FD), buckling restrained bracing (BRB) members and self-centering energy dissipative (SCED) members. The ED devices were sized such that no additional force demand was imposed on the discontinuous tie members. Nonlinear response history analysis showed that all three ED systems can be used to reduce discontinuities in storey drifts of M-TBFs. The BRB members experienced the smallest peak deformations whereas minimum residual deformations were obtained with the SCED devices.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.12
no.4
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pp.35-44
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2008
A self-centering energy-dissipative(SCED) bracing system has recently been developed as a new seismic force resistant bracing system. The advantage of the SCED brace system is that, unlike other comparable advanced bracing systems that dissipate energy such as the buckling restrained brace(BRB) system, it has a self-centering capability that reduces or eliminates residual building deformations after major seismic events. In order to investigate the effects of torsion on the SCED brace and BRB systems, nonlinear time history analyses were used to compare the responses of 3D model structures with three different amounts of frame eccentricity. The results of the analysis showed that the interstory drifts of SCED braced frames are more uniform than those of BRB frames, without regard to irregularity. The residual drift and residual rotation responses tended to decrease as irregularity increased. For medium-rise structures, the drift concentration factors(DCFs) for SCED systems were lower than those for BRB frames. This means that SCED-braced frames deform in a more uniform manner with respect to building height. The effect of the torsional irregularity on the magnitude of the DCFs was small.
According to the capacity design concept which forms the basis of the current steel seismic codes, the braces in concentrically braced frames (CBFs) should dissipate seismic energy through cyclic tension yielding and cyclic compression buckling while the beams and the columns should remain elastic. Brace buckling in inverted V-braced frames induces unbalanced vertical forces which, in turn, impose the additional beam moments and column axial forces. However, due to difficulty in predicting the location of buckling stories, the most conservative approach implied in the design code is to estimate the column axial forces by adding all the unbalanced vertical forces in the upper stories. One alternative approach, less conservative and recommended by the current code, is to estimate the column axial forces based on the amplified seismic load expected at the mechanism-level response. Both are either too conservative or lacking technical foundation. In this paper, three combination rules for a rational estimation of the column axial forces were proposed. The idea central to the three methods is to detect the stories of high buckling potential based on pushover analysis and dynamic behavior. The unbalanced vertical forces in the stories detected as high buckling potential are summed in a linear manner while those in other stories are combined by following the SRSS(square root of sum of squares) rule. The accuracy and design advantage of the three methods were validated by comparing extensive inelastic dynamic analysis results. The mode-shape based method(MSBM), which is both simple and accurate, is recommended as the method of choice for practicing engineers among the three.
This study conducted nonlinear finite element analysis to figure out the influence of shear performance on the ${\beta}$ of girders with trapezoidal corrugated web. Through the experiment specimen, analysis model which is highly accurate was verified. Based on this, a parameter analysis was conducted on key variables affecting ${\beta}$. Proposed formulas of previous studies were analyzed using parameter analysis result. Eurocode was designed to be safer than other proposals. Only models that are included in the inelastic area, depending on the Moon's proposal, were satisfied the proposed formulas by Kim to enhance economic design.
In this study, a continuous optimum design model with its application program for plane steel frame structures developed. In the model, the sequential unconstrained minimization technique (SUMT) transforming the nonlinear optimization problem with multidesign variables and constraints into an unconstrained minimization problem and the refined plastic hinge analysis method as one of the most effective second-order inelastic analysis methods for steel frame structures were implemented. The total weight of a steel frame structure was taken as the objective function, and the AISC-LRFD code requirements for the local and member buckling, flexural strength, shear strength, axial strength and size of the cross-sectional shapes of members were used for the derivation of constraint equations. To verify the appropriateness of the present model, the optimum designs of serveral plane steel frame structures subject to vertical and horizontal loads were conducted.
Herrera, Ricardo A.;Muhummud, Teerawut;Ricles, James M.;Sause, Richard
Steel and Composite Structures
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v.43
no.3
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pp.327-340
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2022
A vast amount of experimental and analytical research has been conducted related to the seismic behavior and performance of concrete filled steel tubular (CFT) columns. This research has resulted in a wealth of information on the component behavior. However, analytical and experimental data for structural systems with CFT columns is limited, and the well-known behavior of steel or concrete structures is assumed valid for designing these systems. This paper presents the development of an analytical model for nonlinear analysis of composite moment resisting frame (CFT-MRF) systems with CFT columns and steel wide-flange (WF) beams under seismic loading. The model integrates component models for steel WF beams, CFT columns, connections between CFT columns and WF beams, and CFT panel zones. These component models account for nonlinear behavior due to steel yielding and local buckling in the beams and columns, concrete cracking and crushing in the columns, and yielding of panel zones and connections. Component tests were used to validate the component models. The model for a CFT-MRF considers second order geometric effects from the gravity load bearing system using a lean-on column. The experimental results from the testing of a four-story CFT-MRF test structure are used as a benchmark to validate the modeling procedure. An analytical model of the test structure was created using the modeling procedure and imposed-displacement analyses were used to reproduce the tests with the analytical model of the test structure. Good agreement was found at the global and local level. The model reproduced reasonably well the story shear-story drift response as well as the column, beam and connection moment-rotation response, but overpredicted the inelastic deformation of the panel zone.
Failure modes result in fracture or tearing, which may cause deterioration of resistance and reduction of inelastic deformation capacity. The potential failure modes for Special Concentrically Braced Frames (SCBFs) include fracture or tearing of the brace, net section fracture of the brace or gusset plate, fracture of the gusset plate welds, shear fracture of the bolts, block shear, excessive bolt bearing deformation, and buckling of the gusset plate. HSS tubular braces are commonly used in SCBFs, and net section fracture of the tubular brace may also occur through the brace net section at the end of the slot cut into the tube to slip over the gusset plate. This failure mode is categorized as a tension failure mode, and may cause dramatic loss of resistance and brittle behavior. Net section reinforcement is required according to AISC design specifications (AISC 2001). In this paper, the need to reinforce the net section area was discussed. Initially, the results of the net section fracture tests done by the University of California in Berkeley were presented with the modeling of these tests using FE models. To investigate the possibility of net section fracture in an actual frame, the slot end hole model was adapted to the frame FE model, and alternate near-fault histories were applied with tension-dominated cycles, since previous analyses showed that loading history was the most critical factor in net section fracture. The need for this reinforcement (cover plate) and the tension-dominated near-fault history were investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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