Nonlinear seismic performances of code designed Perforated Steel Plate Shear Walls (P-SPSW) were studied. Three multi-storey (4-, 8-, and 12-storey) P-SPSWs were designed according to Canadian seismic provisions and their performance was evaluated using time history analysis for ground motions compatible with Vancouver response spectrum. The selected code designed P-SPSWs exhibited excellent seismic performance with high ductility and strength. The current code equation was found to provide a good estimation of the shear strength of the perforated infill plate, especially when the infill plate is yielded. The applicability of the strip model, originally proposed for solid infill plate, was also evaluated for P-SPSW and two different strip models were studied. It was observed that the strip model with strip widths equal to center to center diagonal distance between each perforation line could reasonably predict the inelastic behavior of unstiffened P-SPSWs. The strip model slightly underestimated the initial stiffness; however, the ultimate strength was predicted well. Furthermore, applicability of simple shear-flexure beam model for determination of fundamental periods of P-SPSWs was studied.
In this paper, topology optimization (TO) is applied to find a new configuration for the perforated steel plate shear wall (PSPSW) based on the maximization of reaction forces as the objective function. An infill steel plate is introduced based on an experimental model for TO. The TO is conducted using the sensitivity analysis, the method of moving asymptotes and SIMP method. TO is done using a nonlinear analysis (geometry and material) considering the buckling. The final area of the optimized plate is equal to 50% of the infill plate. Three plate thicknesses and three length-to-height ratios are defined and their effects are investigated in the TO. It indicates the plate thickness has no significant impact on the optimization results. The nonlinear behavior of optimized plates under cyclic loading is studied and the strength, energy and fracture tendency of them are investigated. Also, four steel plates including infill plate, a plate with a central circle and two types of the multi-circle plate are introduced with equal plate volume for comparing with the results of the optimized plate.
This paper is dedicated to the buckling behaviors of strengthened perforated plates under edge shear loading, which is a typical load pattern of steel plates in civil engineering, especially in plate and box girders. The square plates considered each has a centric circular hole and is simply supported on four edges in the out-of-plane direction. Three types of strengthening stiffeners named ringed stiffener (RS), flat stiffener (FSA and FSB) and strip stiffener (SSA, SSB and SSC) are mainly discussed. The finite element method (FEM) has been employed to analyse the elastic and elasto-plastic buckling behavior of unstrengthened and strengthened perforated plates. Results show that most of the strengthened perforated plates behave higher buckling strengths than the unstrengthened ones, while the enhancements in elastic buckling stress and elasto-plastic ultimate strength are closely related to stiffener types as well as plate geometric parameters including plate slenderness ratio and hole diameter to plate width ratio. The critical slenderness ratios of shear loaded strengthened perforated plates, which determine the practical buckling pattern (i.e., elastic or elasto-plastic buckling) of the plates, are also studied. Based on the contrastive analyses of strengthening efficiency considering the influence of stiffener consumption, the most efficient cutout-strengthening methods for shear loaded perforated square plates with different slenderness ratios and circular hole diameter to plate width ratios are preliminarily identified.
In many cases, open-type plate breakwaters use plates with multiple holes; the holes serve as energy dissipaters and weight reducers. Because of the multi-holes configuration, stress concentration should be considered during the design process. Among several design loading conditions, the loads from a possible collision with a man-made vessel or other unexpected events many damage a multi-perforated steel plate. In that case, the structural behavior of a multi-perforated steel plate is quite significant, and is not well understood. This study presents a collision analysis for a multi-perforated steel plate. First, four different perforation topologies (three with circles and one with squares) were selected to investigate the effect of different hole shapes on the structural response. Second, the wave force at a specific site was calculated and loaded onto a steel plate as a static load. The static stresses were used for reference values. Third, two rigid body impacters (cubical & cylindrical) were applied to the steel plates to investigate the transient stress responses. In addition, two different impacting angles ($45^{\circ}\;&\;90^{\circ}$) were selected to investigate the angle effect. From the collision analysis, the significance of the transient stresses was emphasized.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.36
no.5
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pp.137-146
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2020
In this study, an experimental research was performed to find the characteristics of the lateral load resistance of perforated steel plates which could be developed to retrofit existing RC framed buildings. The Specimens are tested with variables such as aspect ratio of plate, the ratio of perforation area, and the ratio of perforated diameter to strip which is more than 0.6. The lateral load was applied with displacement control until to reach 3.5% drift ratio. Through the experimental results, it was shown that the maximum strength of all specimens were reached at around 0.5% drift ratio and maintained until 3.5% drift ratio. From results, the modified strength prediction formula was derived with the variable ratio of the perforated diameter to strip. To evaluate seismic retrofit performance of RC frames using perforated steel plate, a simple design process was presented.
This study presents a practical application of topology optimization (TO) technique to seek the best form of perforated steel plate shear walls (PSPSW) in simple frames. For the numerical investigation, a finite element model is proposed based on the recent particular form of PSPSW that is called the ring-shaped steel plate shear wall. The TO is applied based on the sensitivity analysis to maximize the reaction forces as the objective function considering the fracture tendency. For this purpose, TO is conducted under a monotonic and cyclic loading considering the nonlinear behavior (material and geometry) and buckling. Also, the effect of plate thickness is studied on the TO results. The final material volume of the optimized plate is limited to the material volume of the ring-shaped plate. Finally, an optimized plate is introduced and its nonlinear behavior is investigated under a cyclic and monotonic loading. For a more comprehensive view, the results are compared to the ring-shaped and four usual forms of SPSWs. The material volume of the plate for all the models is the same. The results indicate the strength, load-carrying, and energy dissipation in the optimized plate are increased while the fracture tendency is reduced without changing the material volume.
The main goal of this study was to develop a convenient strengthening technique for retrofitting of reinforced concrete members. For this purpose a new retrofitting material so-called prefabricated-HSPRCC (high performance steel plate reinforced cementitious composite) panel was developed by using high performance concrete and perforated steel plate. Prefabricated-HSPRCC composes advantages of steel and high performance concrete. The prefabricated-HSPRCC panels were either only bonded on the specimens using epoxy mortar or anchored to the specimen by steel bolts as well as bonding. Effect of different variations such as prefabricated-HSPRCC panel thicknesses, steel plate thicknesses, puncture orientation of perforated steel plate, existence of anchorage etc. were studied through a simple experimental work. The behaviour of the specimens under vertical point load was also studied by using simple mechanics. The retrofitted specimens were found to exhibit much better performance both in terms of strength and deformation capability. The anchorage application was found to positively affect this improved performance. Furthermore, as a result of the tests the best parameters of prefabricated-HSPRCC plate for improving strength and deformation capacities were determined.
Although being one of the most popular strengthening techniques in reinforced concrete beams, the use of steel plates bonded to the soffit raises problems of ductility. This study aims at investigating the influence of the use of perforated steel plates instead of solid steel plates on the ductility of reinforced concrete beams. A total of nine reinforced concrete beams were tested. In addition to an unplated beam, eight beams with perforated steel plates of two different thicknesses (3 mm and 6 mm) were subjected to monotonic loading. Effect of bonding the plates to the beams with anchor bolts and with additional side plates bonded to the sides of the beam with and without anchors is also investigated. The use of bolts in addition to epoxy was found to greatly contribute to the ductility and energy absorption capacity of the beams, particularly in specimens with thick plates (6 mm) and the use side plates in addition to the bottom plate was found to be ineffective in increasing the ductility of a concrete beam unless the side plates are attached to the beam with anchors bolts. The thickness of the plate was found to have little effect on the bending rigidity of the beam.
Monsef Ahmadi, H.;Sheidaii, M.R.;Tariverdilo, S.;Formisano, A.;De Matteis, G.
Earthquakes and Structures
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v.20
no.4
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pp.377-388
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2021
Thin perforated Steel Plate Shear Walls (SPSWs) are among the most common types of seismic energy dissipation systems to protect the main boundary components of SPSWs from fatal fractures in the high-risk zones. In this paper, the cyclic behavior of the different circular hole patterns under cyclic loading is reported. Based on the experimental results, it can be concluded that a change in the perforation pattern of the circular holes leads to a change in the locations of the fracture tendency over the web plate, especially at the plate-frame interactions. Accordingly, the cyclic responses of the tested specimens were simulated by finite element method using the ABAQUS package. Likewise, perforated shear panels with a new perforation pattern obtained by implementing Topology Optimization (TO) were proposed. It was found that the ultimate shear strength of the specimen with the proposed TO perforation pattern was higher than that of the other specimens. In addition, theoretical equations using the Plate-Frame Interaction (PFI) method were used to predict the shear strength and initial stiffness of the considered specimens. The theoretical results showed that the proposed reduced coefficients relationships cannot accurately predict the shear strength and initial stiffness of the considered perforated shear panels. Therefore, the reduced coefficients should be adopted in the theoretical equations based on the obtained experimental and numerical results. Finally, with the results of this study, the shear strength and initial stiffness of these types of perforated shear panels can be predicted by PFI method.
This paper focuses on the strengthening methods used for improving the compression behaviors of perforated box-section walls as provided in the anchorage zones of steel pylons. Rectangular plates containing double-row continuous elliptical holes are investigated by employing the boundary condition of simple supporting on four edges in the out-of-plane direction of plate. Two types of strengthening stiffeners, named flat stiffener (FS) and longitudinal stiffener (LS), are considered. Uniaxial compression tests are first conducted for 18 specimens, of which 5 are unstrengthened plates and 13 are strengthened plates. The mechanical behaviors such as stress concentration, out-of-plane deformation, failure pattern, and elasto-plastic ultimate strength are experimentally investigated. Finite element (FE) models are also developed to predict the ultimate strengths of plates with various dimensions. The results of FE analysis are validated by test data. The influences of non-dimensional parameters including plate aspect ratio, hole spacing, hole width, stiffener slenderness ratio, as well as stiffener thickness on the ultimate strengths are illustrated on the basis of numerous parametric studies. Comparison of strengthening efficiency shows that the continuous longitudinal stiffener is the best strengthening method for such perforated plates. The simplified formulas used for estimating the compression strengths of strengthened plates are finally proposed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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