Klemencic, Ron;Fry, J. Andrew;Hooper, John;Baxter, Robert;Morgen, Brian;Solberg, Kevin;Zaleski, Krzysztof
International Journal of High-Rise Buildings
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v.1
no.3
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pp.149-154
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2012
This paper presents a summary of the state of the practice for Performance Based Seismic Design (PBSD) in the United States. While it is not included in the prescriptive provisions of the United States' building codes, the PBSD procedure has been successfully implemented for two decades. The recent publication of the Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Tall Buildings by the Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) illustrates the fact that the engineering community has embraced this procedure and provides a thoughtful set of recommendations to building designers who intend to implement PBSD. The key parameters currently required for a PBSD also are outlined, such as seismic hazard definition, modeling procedures, and acceptance criteria. These Guidelines will serve as the basis for many PBSD projects in the coming years and as such are a common reference used throughout this paper. Finally, a brief summation of recent PBSD projects in the United States is presented.
Design codes provide the minimum requirements for the design of code-compliant structures to ensure the safety of the life and property. As for code-exceeding buildings, the requirements for design are not sufficient and the approval of such structures is vague. In mainland China in recent years, a large number of code-exceeding tall buildings, whether their heights exceed the limit for the respective structure type or the extent of irregularity is violated, have been constructed. Performance-based seismic design (PBSD) approach has been highly recommended and become necessary to demonstrate the performance of code-exceeding tall buildings at least equivalent to code intent of safety. This paper proposes the general methodologies of performance-based seismic analysis and design of code-exceeding tall buildings in Mainland China. The PBSD approach proposed here includes selection of performance objectives, determination of design philosophy, establishment of design criteria for structural components and systems consistent with the desirable and transparent performance objectives, and seismic performance analysis and evaluation through extensive numerical analysis or further experimental study if necessary. The seismic analysis and design of 101-story Shanghai World Financial Center Tower is introduced as a typical engineering example where the PBSD approach is followed. The example demonstrates that the PBSD approach is an appropriate way to control efficiently the seismic damage on the structure and ensure the predictable and safe performance.
Today, a great effort to develop PBSD procedure to be utilized in Korea is given by domestic structural engineers, academics, and governmental organizations. After Great East Japan Earthquake (2011) took place, lots of clients in Korea became to concern of their buildings so that requests of seismic performance evaluation and seismic rehabilitation for existing buildings have been gradually increased. Such interests in seismic events initiated a rapid development of a series of guidelines for seismic performance evaluation and seismic performance enhancement. For new buildings, however, design guidelines for PBSD are yet well prepared in Korea and prescriptive design methods are dominant design procedure still. Herein, seismicity demands used in seismic performance evaluation and some important design parameters in NLRH are introduced. Some project examples for seismic performance evaluation and rehabilitation applying passive energy dissipation devices are also described in the latter part of paper.
When eccentrically braced steel frames (EBFs) are in the desired failure mode, links yield at each layer and column bases appear plastically hinged. Traditional design methods cannot accurately predict the inelastic behavior of structures owing to the use of capacity-based design theory. This paper proposes the use of performance-based seismic design (PBSD) method for planning eccentrically braced frames. PBSD can predict and control inelastic deformation of structures by target drift and failure mode. In buildings designed via this process, all links dissipate energy in the rare event of an earthquake, while other members remain in elastic state, and as the story drift is uniform along the structure height, weak layers will be avoided. In this condition, eccentrically braced frames may be more easily rehabilitated after the effects of an earthquake. The effectiveness of the proposed method is illustrated through a sample case study of ten-story K-type EBFs and Y- type EBFs buildings, and is validated by pushover analysis and dynamic analysis. The ultimate state of frames designed by the proposed method will fail in the desired failure mode. That is, inelastic deformation of structure mainly occurs in links; each layer of links involved dissipates energy, and weak layers do not exist in the structure. The PBSD method can provide a reference for structural design of eccentrically braced steel frames.
In this study, a new recentering friction device (RFD) to retrofit steel moment frame structures is introduced. The device provides both self-centering and energy dissipation capabilities for the retrofitted structure. A hybrid performance-based seismic design procedure considering multiple limit states is proposed for designing the device and the retrofitted structure. The design of the RFD is achieved by modifying the conventional performance-based seismic design (PBSD) procedure using computational intelligence techniques, namely, genetic algorithm (GA) and artificial neural network (ANN). Numerous nonlinear time-history response analyses (NLTHAs) are conducted on multi-degree of freedom (MDOF) and single-degree of freedom (SDOF) systems to train and validate the ANN to achieve high prediction accuracy. The proposed procedure and the new RFD are assessed using 2D and 3D models globally and locally. Globally, the effectiveness of the proposed device is assessed by conducting NLTHAs to check the maximum inter-story drift ratio (MIDR). Seismic fragilities of the retrofitted models are investigated by constructing fragility curves of the models for different limit states. After that, seismic life cycle cost (LCC) is estimated for the models with and without the retrofit. Locally, the stress concentration at the contact point of the RFD and the existing steel frame is checked being within acceptable limits using finite element modeling (FEM). The RFD showed its effectiveness in minimizing MIDR and eliminating residual drift for low to mid-rise steel frames models tested. GA and ANN proved to be crucial integrated parts in the modified PBSD to achieve the required seismic performance at different limit states with reasonable computational cost. ANN showed a very high prediction accuracy for transformation between MDOF and SDOF systems. Also, the proposed retrofit showed its efficiency in enhancing the seismic fragility and reducing the LCC significantly compared to the un-retrofitted models.
In eccentrically braced steel frames (EBFs), the links are fuse members which enter inelastic phase before other structure members and dissipate the seismic energy. Based on the force-based seismic design method, damages and plastic deformations are limited to the links, and the main structure members are required tremendous sizes to ensure elastic with limited or no damage. Force-based seismic design method is very common and is found in most design codes, it is unable to determine the inelastic response of the structure and the damages of the members. Nowadays, methods of seismic design are emphasizing more on performance-based seismic design concept to have a more realistic assessment of the inelastic response of the structure. Links use ordinary steel Q345 (the nominal yielding strength $f_y{\geq}345MPa$) while other members use high strength steel (Q460 $f_y{\geq}460MPa$ or Q690 $f_y{\geq}690MPa$) in eccentrically braced frames with high strength steel combination (HSS-EBFs). The application of high strength steels brings out many advantages, including higher safety ensured by higher strength in elastic state, better economy which results from the smaller member size and structural weight as well as the corresponding welding work, and most importantly, the application of high strength steel in seismic fortification zone, which is helpful to popularize the extensive use of high strength steel. In order to comparison seismic behavior between HSS-EBFs and ordinary EBFs, on the basis of experimental study, four structures with 5, 10, 15 and 20 stories were designed by PBSD method for HSS-EBFs and ordinary EBFs. Nonlinear static and dynamic analysis is applied to all designs. The loading capacity, lateral stiffness, ductility and story drifts and failure mode under rare earthquake of the designs are compared. Analyses results indicated that HSS-EBFs have similar loading capacity with ordinary EBFs while the lateral stiffness and ductility of HSS-EBFs is lower than that of EBFs. HSS-EBFs and ordinary EBFs designed by PBSD method have the similar failure mode and story drift distribution under rare earthquake, the steel weight of HSS-EBFs is 10%-15% lower than ordinary EBFs resulting in good economic efficiency.
Alinejad, Hamidreza;Kang, Thomas H.K.;Jeong, Seung Yong
Wind and Structures
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v.32
no.4
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pp.283-292
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2021
Performance-based seismic design (PBSD) is currently used for retrofitting of older buildings and the design of new buildings. Whereas, application of performance-based design for wind load is still under development. The tendency has been in the codes to increase wind hazard based on recent recorded events. Since tall buildings are highly susceptible to wind load, necessity for developing a framework for performance-based wind design (PBWD) has intensified. Only a few guidelines such as ASCE (2019) provide information on using PBWD as an alternative for code prescriptive wind design. Though wind hazards, performance objectives, analysis techniques, and acceptance criteria are explained, no recommendations are provided for several aspects like how to select a proper level of wind hazard for each target performance criterion. This paper is an attempt to explain current design philosophy for wind and seismic loads and inherent connection between the components of PBSD for development of a framework for PBWD of tall buildings. Recognizing this connection, a framework for PBWD based on limits set for serviceability and strength is also proposed. Also, the potential for carrying out PBWD in line with ASCE 7-16 is investigated and proposed in this paper.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.103-110
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2004
Recently, performance based seismic design (PBSD) methods in numerous forms have been suggested and widely studied as a new concept of seismic design. The PBDSs are far from being practical due to complexity of algorithms resided in the design philosophy In this paper, optimal seismic design method based on displacement coefficient method (DCM) described in FEMA 273 is developed. As an optimizer simple genetic algorithms are used for implementations. In the optimization problem formulated in this paper, strength design criteria, stiffness design criteria, and nonlinear response criteria specified in DCM are included in design constraints. The optimal performance based design(OPBD) method is applied to seismic design of a 9-story two-dimensional steel frame structures.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2005.04a
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pp.636-643
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2005
Recently, performance based seismic design (PBSD) methods have been suggested in numerous forms and widely studied as a new concept of seismic design. The PBDSs are far from being practical method due to complexity of algorithms resided in the design philosophy. In this paper, optimal seismic design method based on displacement coefficient method (DCM) described in FEMA 273 is developed. As an optimizer simple genetic algorithms are used for implementations. In the optimization problem formulated in this Paper, strength design criteria stiffness design criteria, and nonlinear response criteria specified in DCM are included in design constraints. The optimal performance based design(OPBD) method is applied to seismic design of a 3-story two-dimensional steel frame structures.
Jang Cheol Hee;Kim Hyeon Jun;Noh Seong Jin;Kim Chul Gyum
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2005.05b
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pp.75-79
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2005
GSSHA(Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis) 모형은 미 공병단 연구개발센터(USACE ERDC; US Army Corps of Engineers Engineering Research and Development Center)체서 개발된 물리적인 개념의 공간 분포형(PBSD; Physically Based Spatially Distributed) 수문모형으로, CASC2D 모형(Ogden 와 Julien, 2002; Downer 등, 2002)을 개선, 확장한 모형이다. GSSHA 모형의 실행에는 Brigham Young 대학의 컴퓨터그래픽공학연구실에 의해 개발된 미 국방성 WMS(Watershed Modeling System) 인터페이스를 사용하며, 이를 통해 많은 입력과 출력조건을 가지는 분포형 모형의 복잡한 모의 과정을 효과적으로 처리할 수 있다. 본 연구에서는 GSSHA 모형을 이용하여 경안천 유역의 물순환 양상을 분석하였다. GSSHA 모형은 유역을 균일한 유한 차분 격자로 나누어 각각의 격자를 기본 단위로 모의한다. 모형의 주요 모의 모듈은 강우 분포, 융설, 차단, 침투, 증발산, 지표면 저류, 2차원 표면류 추적, 1차원 하도 추적, 불포화 층 모의, 2차원 포화 지하 대수층 흐름, 지표면 유사 침식, 하천 유사 추적 등이 포함된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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