This paper presents the results of an experimental program concerning the efficiency of a specific strengthening technique which utilizes a small steel link element connected to the R/C frame through bracing elements. Brittle types of failure, especially at the connections between steel and concrete elements, can be avoided by appropriate design of the local details. Five single storey one bay R/C frames scaled 1:3 were constructed according to older codes with substandard details. The first one was a typical bare reference frame. The other four were identical to the first one, strengthened by steel bracing elements. The behavior of the strengthened frames is described with respect to the reference bare frame. The concrete frames were constructed according to older code provisions by the use of smooth steel bars, low strength concrete, sparsely spaced stirrups and substandard details. The strengthening scheme aimed to the increase of both strength and deformation capacity of the original R/C frame. The inelastic deformations are purposely concentrated to a short steel link element connecting the steel bracing to the R/C frame. The results show that the steel link element can increase considerably the strength and the energy dissipation capacity of the frame.
Jouneghani, Habib Ghasemi;Haghollahi, Abbas;Beheshti-Aval, S. Bahram
Steel and Composite Structures
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v.37
no.2
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pp.175-191
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2020
In this article, for the first time, the seismic behavior of elliptic-braced moment resisting frame (ELBRF) is assessed through a laboratory program and numerical analyses of FEM specifically focused on the development of global- and local-type failure mechanisms. The ELBRF as a new lateral braced system, when installed in the middle bay of the frames in the facade of a building, not only causes no problem to the opening space of the facade, but also improves the structural behavior. Quantitative and qualitative investigations were pursued to find out how elliptic braces would affect the failure mechanism of ELBRF structures exposed to seismic action as a nonlinear process. To this aim, an experimental test of a ½ scale single-story single-bay ELBRF specimen under cyclic quasi-static loading was run and the results were compared with those for X-bracing, knee-bracing, K-bracing, and diamond-bracing systems in a story base model. Nonlinear FEM analyses were carried out to evaluate failure mechanism, yield order of components, distribution of plasticity, degradation of structural nonlinear stiffness, distribution of internal forces, and energy dissipation capacity. The test results indicated that the yield of elliptic braces would delay the failure mode of adjacent elliptic columns and thus, help tolerate a significant nonlinear deformation to the point of ultimate failure. Symmetrical behavior, high energy absorption, appropriate stiffness, and high ductility in comparison with the conventional systems are some of the advantages of the proposed system.
Husem, Metin;Demir, Serhat;Park, Hong G.;Cosgun, Suleyman I.
Structural Engineering and Mechanics
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v.59
no.6
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pp.1121-1137
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2016
A large number of structure in the world were build with poor seismic details, with or without any lateral load resisting system like concentrically braced frames and steel plate shear walls. These structures can reveal deteriorating hysteretic behaviors with stiffness and strength degradation. Therefore, seismic retrofitting of such structures for drift control has vital importance. In this study a retrofit methodology has been developed, which involves diagonal bracing of steel frames with different cable arrangements. In the experimental and numerical program 5 different lateral load resisting system were tested and results compared with each other. The results indicated that multi-cable arrangements suggested in this study showed stable ductile behavior without any sudden decrease in strength. Due to the usage of more than one diagonal cable, fracture of any cable did not significantly affect the overall strength and deformation capacity of the system. In cable braced systems damages concentrated in the boundary zones of the cables and beams. That is why boundary zone must have enough stiffness and strength to resist tension field action of cables.
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.
"A practical architect might not unnaturally conceive the idea of erecting a vast edifice whose frame should be entirely of iron, and clothing the frame--preserving it--by means of a casing of stone…that shell must be regarded only as an envelope, having no function other than supporting itself..." --Viollet-le-Duc, 1868. Viollet-le-Duc's recipe for an encased iron frame foresaw the separation of structural and enclosing functions into discrete systems. This separation is an essential characteristic of skyscrapers today, but at the time of his writing cast iron's brittle nature meant that iron frames could not, on their own, resist lateral forces in tall structures. Instead, tall buildings had to be braced with masonry shear walls, which often also served as environmental enclosure. The commercial availability of steel after the 1880s allowed for self-braced metal frames while parallel advances in glass and terra cotta allowed exterior walls to achieve vanishingly thin proportions. Two Chicago buildings by D.H. Burnham & Co. were the first to match a frame "entirely of iron" with an "envelope" supporting only itself. The Reliance Building (1895) was the first of these, but the Fisher Building (1896) more fully exploited this new constructive typology, eschewing brick entirely, to become the first "building without walls," a break with millennia of tall construction reliant upon masonry
Bazzaz, Mohammad;Andalib, Zahra;Kheyroddin, Ali;Kafi, Mohammad Ali
Steel and Composite Structures
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v.19
no.4
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pp.917-937
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2015
During a seismic event, a considerable amount of energy is input into a structure. The law of energy conservation imposes the restriction that energy must either be absorbed or dissipated by the structure. Recent earthquakes have shown that the use of concentric bracing system with their low ductility and low energy dissipation capacity, causes permanent damage to structures during intense earthquakes. Hence, engineers are looking at bracing system with higher ductility, such as chevron and eccentric braces. However, braced frame would not be easily repaired if serious damage has occured during a strong earthquake. In order to solve this problem, a new bracing system an off-centre bracing system with higher ductility and higher energy dissipation capacity, is considered. In this paper, some numerical studies have been performed using ANSYS software on a frame with off-centre bracing system with optimum eccentricity and circular element created, called OBS_C_O model. In addition, other steel frame with diagonal bracing system and the same circular element is created, called DBS_C model. Furthermore, linear and nonlinear behavior of these steel frames are compared in order to introduce a new way of optimum performance for these dissipating elements. The obtained results revealed that using a ductile element or circular dissipater for increasing the ductility of off-centre bracing system and centric bracing system is useful. Finally, higher ductility and more energy dissipation led to more appropriate behavior in the OBS_C_O model compared to DBS_C model.
Steel Plate Shear Walls (SPSWs) have been accepted widely as an effective lateral load resisting system. For seismic performance evaluation of a multi-story building with SPSWs, detailed finite element models or a strip model can be used to represent the SPSW components. However, such models often require significant effort for tall or medium height buildings. In order to simplify the analysis process, discrete elements for the framing members can be used. This paper presents development of a simplified equivalent braced model to study the behavior of the SPSWs. The proposed model is expected to facilitate a simplification to the structural modeling of large buildings with SPSWs in order to evaluate the seismic performance using regular structural analysis tools. It is observed that the proposed model can capture the global behavior of the structures quite accurately and potentially aid in the performance-based seismic design of SPSW buildings.
Based on the spatial substructure hybrid simulation test (SHST) method, the seismic performance of a high-strength steel composite K-eccentrically braced frame (K-HSS-EBF) structure system is studied. First, on the basis of the existing pseudostatic experiments, a numerical model corresponding to the experimental model was established using OpenSees, which mainly simulated the shear effect of the shear links. A three-story and five-span spatial K-HSS-EBF was taken as the prototype, and SHST was performed with a half-scale SHST model. According to the test results, the validity of the SHST model was verified, and the main seismic performance indexes of the experimental substructure under different seismic waves were studied. The results show that the hybrid simulation results are basically consistent with the numerical simulation results of the global structure. The deformation of each story is mainly concentrated in the web of the shear link owing to shear deformation. The maximum interstory drifts of the model structure during Strength Level Earthquake (SLE) and Maximum Considered Earthquake (MCE) meet the demands of interstory limitations in the Chinese seismic design code of buildings. In conclusion, the seismic response characteristics of the K-HSS-EBFs are successfully simulated using the spatial SHST, which shows that the K-HSS-EBFs have good seismic performance.
This paper was developed to computer program, which is about to analyize nonlinear behavior of structural member and frame including to geometric and material nonlineality, and formulated to the relationship of stress-strain of steel. In order to examplity the efficiency of this program, the numerical analysis was done for H section steel beam and square steel tube column subjected to monotonic load, and braced steel frame subjected to repeated horizontal forces. The obtained results by this program were in accordance with existing experimental and analytical results respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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