The buckling length of exterior beam-columns of the first floor in moment resisting steel frames with weak beams is uncertain when plastic hinges occur at the ends of weak beams due to seismic loads. The objective of this study is to investigate the buckling strength of concrete-filled tubular beam-columns and to suggest the reduced buckling length of them to apply to the beam-column design code. The exterior beam-columns are modelized with horizontal displacement restraint springs. Their strength and reduced buckling length are evaluated by numerical analysis.
Dougka, Georgia;Dimakogianni, Danai;Vayas, Ioannis
Earthquakes and Structures
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v.6
no.5
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pp.561-580
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2014
After strong earthquakes conventional frames used worldwide in multi - story steel buildings (e.g. moment resisting frames) are not well positioned according to reparability. Two innovative systems for seismic resistant steel frames incorporated with dissipative fuses were developed within the European Research Program "FUSEIS" (Vayas et al. 2013). The first, FUSEIS1, resembles a vertical Vierendeel beam and is composed of two closely spaced strong columns rigidly connected to multiple beams. In the second system, FUSEIS2, a discontinuity is introduced in the composite beams of a moment resisting frame and the dissipative devices are steel plates connecting the two parts. The FUSEIS system is able to dissipate energy by means of inelastic deformations in the fuses and combines ductility and architectural transparency with stiffness. In case of strong earthquakes damage concentrates only in the fuses which behave as self-centering systems able to return the structure to its initial undeformed shape. Repair work after such an event is limited only to replacing the fuses. Experimental and numerical investigations were performed to study the response of the fuses system. Code relevant design rules for the seismic design of frames with dissipative FUSEIS and practical recommendations on the selection of the appropriate fuses as a function of the most important parameters and member verifications have been formulated and are included in a Design Guide. This article presents the design and performance of building frames with FUSEIS 1-1 based on models calibrated on the experimental results.
The behaviour of reinforced concrete moment resisting frame structures in recent earthquakes all over the world has highlighted the consequences of poor performance of beam column joints. Large amount of research carried out to understand the complex mechanisms and safe behaviour of beam column joints has gone into code recommendations. This paper presents critical review of recommendations of well established codes regarding design and detailing aspects of beam column joints. The codes of practice considered are ACI 318M-02, NZS 3101: Part 1:1995 and the Eurocode 8 of EN 1998-1:2003. All three codes aim to satisfy the bond and shear requirements within the joint. It is observed that ACI 318M-02 requires smaller column depth as compared to the other two codes based on the anchorage conditions. NZS 3101:1995 and EN 1998-1:2003 consider the shear stress level to obtain the required stirrup reinforcement whereas ACI 318M-02 provides stirrup reinforcement to retain the axial load capacity of column by confinement. Significant factors influencing the design of beam-column joints are identified and the effect of their variations on design parameters is compared. The variation in the requirements of shear reinforcement is substantial among the three codes.
Optimal design of structures against earthquake loads is often limited to reduce initial construction costs, while the cost induced to structures during their useful life may be several times greater than the initial costs. Therefore, it is necessary to consider the indirect costs due to earthquakes in the design process. In this research, an integrated methodology for calculating life cycle cost (LCC) of moment-resisting concrete frames is presented. Increasing seismic safety of structures and reducing human casualties can play an important role in determining the optimal design. Costs incurred for structures are added to the costs of construction, including the costs of reconstruction, financial losses due to the time spent on reconstruction, interruption in building functionality, the value of people's life or disability, and content loss are a major part of the future costs. In this research, fifty years of useful life of structures from the beginning of the construction is considered as the life cycle. These costs should be considered as factors of calculating indirect costs of a structure. The results of this work represent the life cycle cost of a 4 story, 7 story, and 10 story moment-resisting concrete frame by details. This methodology is developed based on the economic conditions of Iran in 2016 and for the case of Tehran city.
Recently, steel-timber hybrid buildings have become prevalent worldwide because several advantages of both steel and timber structures are maintained in the hybrid system. In Taiwan, seismic design specification related to steel-timber hybrid buildings remains void. In this study, the ductility capacity of steel-timber hybrid buildings in Taiwanese seismic design specification is first proposed and evaluated using nonlinear incremental dynamic analysis (IDA). Three non-linear structural models, 12-story, 8-story, and 6-story steel-timer hybrid buildings were constructed using OpenSees. In each model, Douglas-fir was adopted to assemble the upper 4 stories as a timber structure while a conventional steel moment-resisting frame was designated in the lower part of the model. FEMA P-695 methodology was employed to perform IDAs considering 44 earthquakes to assess if the ductility capacity of steel-timber hybrid building is appropriate. The analytical results indicate that the current ductility capacity of steel moment-resisting frames can be directly applied to steel-timber hybrid buildings if the drift ratio of each story under the seismic design force for buildings in Taiwan is less than 0.3%. As a result, engineers are able to design a steel-timber hybrid building straightforwardly by following current design specification. Otherwise, the ductility capacity of steel-timber hybrid buildings must be modified which depends on further studies in the future.
Soleimani-Babakamali, Mohammad Hesam;Nasrollahzadeh, Kourosh;Moghadam, Amin
Steel and Composite Structures
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v.42
no.1
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pp.59-74
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2022
This study introduces a general reliability-based, performance-based design framework to design frames regarding their uncertainties and user-defined design goals. The Iterative-R method extracted from the main framework can designate a proper R (i.e., response modification factor) satisfying the design goal regarding target reliability index and pre-defined probability of collapse. The proposed methodology is based on FEMA P-695 and can be used for all systems that FEMA P-695 applies. To exemplify the method, multiple three-dimensional, four-story steel special moment-resisting frames are considered. Closed-form relationships are fitted between frames' responses and the modeling parameters. Those fits are used to construct limit state functions to apply reliability analysis methods for design safety assessment and the selection of proper R. The frameworks' unique feature is to consider arbitrarily defined probability density functions of frames' modeling parameters with an insignificant analysis burden. This characteristic enables the alteration in those parameters' distributions to meet the design goal. Furthermore, with sensitivity analysis, the most impactful parameters are identifiable for possible improvements to meet the design goal. In the studied examples, it is revealed that a proper R for frames with different levels of uncertainties could be significantly different from suggested values in design codes, alarming the importance of considering the stochastic behavior of elements' nonlinear behavior.
The superelastic viscous damper (SVD) is a hybrid passive control device comprising a viscoelastic damper and shape memory alloy (SMA) cables connected in series. The SVD is an innovative damper through which a large amount of seismic energy can dissipate. The current study assessed the seismic collapse induced by steel moment-resisting frames (SMRFs) equipped with SVDs and compared them with the performance of special MRFs and buckling restrained brace frames (BRBFs). For this purpose, nonlinear dynamic and incremental dynamic analysis (IDA) were conducted in OpenSees software. Both 5- and 9-story special MRFs, BRBFs, and MRFs equipped with the SVDs were examined. The results indicated that the annual exceedance rate for maximum residual drifts of 0.2% and 0.5% for the BRBFs and MRFs with SVDs, respectively, were considerably less than for SMRFs with reduced-beam section (RBS) connections and that the seismic performances of these structures were enhanced with the use of the BRB and SVD. The probability of collapse due to residual drift in the SVD, BRB, and RBS frames in the 9-story structure was 1.45, 1.75, and 1.05 times greater than for the 5-story frame.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1996.04a
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pp.317-322
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1996
The objective of this study is to investigate the characteristics of elastic and inelasitc behavior of ductile moment-resisting reinforced concrete frame subhected to reversed lateral loading such as eqrthquake excitations. For this purpose, a 2-bay 2-story R.C. plane frame with seismic detail was designed and one 1/2.5-scale subassemblage was manufactured according to the required similitude law. Then the reversed load test under the displacement control was performed statically to this subassemblage. Finally the results of this test were analysed regarding to (1) the design load vs actual strength, (2) degradation in stiffness and strength, (3) failure mode or main plastic mechanism in energy dissipation, (4) local deformations.
The proposed building upgrading technique employs prestressing cables to function as bracing to improve the seismic performance during future events. A four-story reinforced concrete moment resisting frame damaged from an ultimate limit state earthquake is assessed and upgraded using the proposed technique. Both existing and upgraded buildings are evaluated in regard of seismic performance parameters performing static lateral load to collapse analysis and dynamic nonlinear time history analysis as well. To obtain realistic comparison of seismic performance between existing and upgraded frames, each frame is subjected to its critical ground motion that has strength demand exceeding the building strength supply. Furthermore, reliability of static lateral load to collapse analysis as a substitute to time history analysis is evaluated. The results reveal that the proposed upgrading technique improves the stiffness distribution compared to the ideal distribution that gives equal inter-story drift. As a result, the upgraded building retains more stories that contribute to energy dissipation. The overall behavior of upgraded building beyond yield is also enhanced due to the gradual change of building stiffness as the lateral load increases.
The majority of connections in moment resisting frames are considered as being fully-rigid. Consequently, the real behavior of the connection, which has some level of flexibility, is ignored. This may result in inaccurate predictions of structural response. This study investigates the influence of flexibility of the extended end-plate connections in the steel moment frames. This is done at two levels. First, the actual micro-behavior of extended end-plate moment connections is explored with respect to joint flexibility. Then, the macro-behavior of frames with end-plate moment connections is investigated using modal, nonlinear static pushover and incremental dynamic analyses. In all models, the P-Delta effects along with material and geometrical nonlinearities were included in the analyses. Results revealed considerable differences between the behavior of the structural frame with connections modeled as fully-rigid versus those when flexibility was incorporated, specifically difference occurred in the natural periods, strength, and maximum inter-story drift angle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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