In this research, an earthquake-resistant structural system consisting of a pin-connected steel frame and a bracing with metallic fuses is proposed. Contrary to the conventional braced frames, the main structural elements are deemed to remain elastic under earthquakes and the seismic energy is efficiently dissipated by the damper-braces with an amplification mechanism. The superiority of the proposed damping system lies in easy manufacture, high yield capacity and energy dissipation, and an effortless replacement of damaged fuses after earthquake events. Furthermore, the stiffness and the yield capacity are almost decoupled in the proposed damper-brace which makes it highly versatile for performance-based seismic design compared to most other dampers. A special attention is paid to derive the theoretical formulation for nonlinear behavior of the proposed damper-brace, which is verified using analytical results. Next, a direct displacement-based design procedure is provided for the proposed system and an example structure is designed and analyzed thoroughly to check its seismic performance. The results show that the proposed system designed with the provided procedure satisfies the given performance objective and can be used for developing highly efficient low-damage structures.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.4
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pp.10-17
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2020
The recent earthquake in Korea caused large and small damages to many school building. School building is an important building that is used as a shelter in the event of disaster. Among the seismic retrofit methods, the internal steel braced frame type method is used for its relatively easy construction and excellent performance. In this study, the maximum shear force and displacement were compared and examined by applying the brace frame to existing concrete school buildings. As a result, we verified the adequacy of the analytical model and compared and examined the effect of brace-height ratio on the span of the existing school buildings. The adequacy of the maximum shear force and displacement relationship can be confirmed in the model with a length of 0.3. In addition, seismic frame was applied to the actual non-seismic reinforced concrete school building, and the seismic performance was evaluated by nonlinear static analysis(Push-over analysis) according to the ratio of brace-height. As a result, the increase of the brace-height according to the brace-height ratio has the effect of increasing the maximum shear force and maximum load at the performance point. But the collapse of the braced frame due to the increase in the lateral stiffness occurred, indicating that seismic retrofit according to the proper brace-height is necessary. Therefore, in the seismic retrofit design of brace frame of existing school building, it is necessary to select the proper brace-height after retrofit analysis according to the brace-height ratio.
Lee Young Oh;Yang Il Seung;Han Byung Chan;Park Wan Shin;Yun Hyun Do;Moon Youn Joon
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.05a
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pp.231-234
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2005
Steel braced frames retrofit method has been broadly used due to their effectiveness in both light weight and construction periods. However, steel braced frames retrofit method has difficulties in application on the inner frames of buildings to be retrofitted consequently, there have been demands for the braced frames retrofit method that can be broadly and easily applicable to both inner and outer frames of the buildings. The objective of this study is to develop and evaluate the seismic retrofit method applicable to the inner frame also by dividing the reinforcing frames into three unit. From the cyclic test of specimens, the test results dearly showed that steel brace using HPFRCCs and steel bars ensure the better cyclic compressive performance than the normal braced members.
Razavi, S. Ali;Kianmehr, Amirhossein;Hosseini, Abdollah;Mirghaderi, S. Rasoul
Steel and Composite Structures
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v.27
no.6
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pp.675-689
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2018
Buckling-restrained braces (BRBs) have received considerable attention in seismic design of various types of structures. Conventional BRBs are composed of steel core and surrounding steel tube filled with concrete. Eliminating the steel tube can be advantageous to BRB. In this study the idea of replacing the steel tube by CFRP layers in BRBs is proposed. The advantages of this type of BRB are mentioned, and its design criteria are introduced. The construction procedure of two BRB specimens is described. The specimens are uniaxially tested based on moderate, and severe earthquake levels and the performance of the specimens is investigated. The backbone curves resulted from the hysteresis curve are presented for the design proposes. The results of this study show that CFRP layers can effectively provide the expected performance of the encasing, and the proposed BRB can be considered a viable alternative to the conventional BRBs.
Lee, Chang Seok;Sung, Min Soo;Han, Sang Whan;Jee, Hyun Woo
International journal of steel structures
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v.18
no.4
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pp.1125-1138
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2018
During earthquakes, braces behave in complex manners because of the asymmetric response nature of their responses in tension and compression. Hollow structural sections (HSS) have been popularly used for braces due to their sectional efficiency in compression. The purpose of this study is to accurately simulate the cyclic behavior of rectangular HSS braces using a computationally efficient numerical model. A conceptually efficient and simple physical theory model is used as a basis model. To improve the accuracy of the model, cyclic beam growth and buckling load, as well as the incidences of local buckling and brace fracture are estimated using empirical equations obtained from regression analyses using test data on rectangular HSS braces. The accuracy of the proposed model is verified by comparing actual and simulated cyclic curves of brace specimens with various slenderness and width-to-thickness ratios.
Ro Kyong Min;Kim Yoon Sung;Kim Min Sook;Lee Young Hak
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.4
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pp.43-50
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2023
This study aims to assess the seismic performance of retrofitted reinforced concrete columns using a Replaceable Steel Brace (RSB) system, subjected to combined axial, lateral, and torsional loadings. Through experimental testing, one non-retrofitted concrete column specimen and two retrofitted specimens with variable sliding slot lengths were subjected to eccentric lateral loads to simulate realistic seismic loading. The retrofitted specimens with RSBs exhibited enhanced resistance against shear cracking, effective torsional resistance, and demonstrated the feasibility of easy replacement. The RSB system substantially improved seismic performance, achieving approximately 1.7 times higher load capacity and 3.5 times greater energy dissipation compared to non-retrofitted column, thus validating its efficacy under combined loading conditions.
This study develops and numerically verifies an innovative seismically resilient bracing system. The proposed self-centering tension-only brace (SC-TOB) is composed of a tensioning system to provide a self-centering response, a frictional device for energy dissipation, and a high-strength steel cable as a bracing element. It is considered to be an improvement over the traditional self-centering braces in terms of lightness, high bearing capacity, load relief, and double-elongation capacity. In this paper, the mechanics of the system are first described. Governing equations deduced from the developed analytical model to predict the behavior of the system are then provided. The results from a finite element validation confirm that the SC-TOB performs as analytically predicted. Key parameters including the activation displacement and load, the self-centering parameter, and equivalent viscous damping are investigated, and their influences on the system behavior are discussed. Finally, a design procedure considering controlled softening behavior is developed and illustrated through a design example.
Mirtaheri, Seyed Masoud;Nazeryan, Meissam;Bahrani, Mohammad Kazem;Nooralizadeh, Amin;Montazerian, Leila;Naserifard, Mohamadhosein
Steel and Composite Structures
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v.23
no.2
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pp.217-228
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2017
Braces are one of the retrofitting systems of structure under earthquake loading. Buckling restrained braces (BRBs) are one of the very efficient braces for lateral loads. One of the key needs for a desirable and acceptable behavior of buckling-restraining brace members under intensive loading is that it prevents total buckling until the bracing member tolerates enough plastic deformation and ductility. This paper presents the results of a set of analysis by finite element method on buckling restrained braces in which the filler materials within the restraining member have been removed. These braces contain core as the conventional BRBs, but they have a different buckling restrained system. The purpose of this analysis is conducting a parametric study on various empty spaces between core and restraining member, the effect of friction between core and restraining member and applying initial deformation to brace system to investigate the global buckling behavior of these braces. The results of analysis indicate that the flexural stiffness of restraining member, regardless of the amount of empty space, can influence the global buckling behavior of brace significantly.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.9
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pp.862-873
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2007
Energy dissipation devices can be considered as an alternative for the seismic performance enhancement of existing structures based on the strengthened seismic design code. In this study, seismic response mitigation effects of friction dampers are investigated through the shaking table test of a full scale 3 story building structure. Frist, the bilinear force-displacement relationship of a structure-brace-friction damper system and the effect of brace-friction damper on the increase of frequency and damping ratio are identified. Second, frequency, displacement, and torque dependent characteristics of the friction damper are investigated by using harmonic load excitation tests. Finally, the shaking table tests are performed for a full scale 3 story steel frame. System identification results using random signal excitation indicated that brace-friction damper increased structural damping ratio and frequency, and El Centro earthquake test showed that brace-friction damper reduced the peak displacement and acceleration significantly. In particular, it was observed that the damping effect due to friction damper becomed obvious when the structure was excited by more intensive load causing frequent slippage of the friction dampers.
This study aims to examine the elastic stiffness properties of Elliptic-Braced Moment Resisting Frame (EBMRF) subjected to lateral loads. Installing the elliptic brace in the middle span of the frames in the facade of a building, as a new lateral bracing system not only it can improve the structural behavior, but it provides sufficient space to consider opening it needed. In this regard, for the first time, an accurate theoretical formulation has been developed in order that the elastic stiffness is investigated in a two-dimensional single-story single-span EBMRF. The concept of strain energy and Castigliano's theorem were employed to perform the analysis. All influential factors were considered, including axial and shearing loads in addition to the bending moment in the elliptic brace. At the end of the analysis, the elastic lateral stiffness could be calculated using an improved relation through strain energy method based on geometric properties of the employed sections as well as specifications of the utilized materials. For the ease of finite element (FE) modeling and its use in linear design, an equivalent element was developed for the elliptic brace. The proposed relation was verified by different examples using OpenSees software. It was found that there is a negligible difference between elastic stiffness values derived by the developed equations and those of numerical analysis using FE method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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