A steel frame is one of the most commonly used structural systems due to its resistance to various types of applied loads. Many studies have been conducted to investigate the effects of several parameters, such as connection flexibility, the boundary condition of each support, and beam-to-column stiffness ratio, on the characteristic behavior of a frame. Based on the results of these studies, several design methods have been proposed. This research focused on the number of bolts on the rotational stiffness of a double-angle connection, and its effect on the story drift of a frame. To achieve these purposes, a simplified analytical model was proposed. Several experimental tests were also conducted to obtain the rotational connection stiffness of each double-angle connection.
In this paper, the effects of mass eccentricity of superstructure as well as stiffness eccentricity of isolators on the amplification of seismic responses of base-isolated structures are investigated by using mathematical near-fault pulse models. Superstructures with 3, 6 and 9 stories and aspect ratios equal to 1, 2 and 3 are mounted on a reasonable variety of Triple Concave Friction Pendulum (TCFP) bearings considering different period and damping ratio. Three-dimensional linear superstructure mounted on nonlinear isolators are subjected to simplified pulses including fling step and forward directivity while various pulse period ($T_p$) and Peak Ground Velocity (PGV) amounts as two crucial parameters of these pulses are scrutinized. Maximum isolator displacement and base shear as well as peak superstructure acceleration and drift are selected as the main engineering demand parameters. The results indicate that the torsional intensification of different demand parameters caused by superstructure mass eccentricity is more significant than isolator stiffness eccentricity. The torsion due to mass eccentricity has intensified the base shear of asymmetric 6-story model 2.55 times comparing to symmetric one. In similar circumstances, the isolator displacement and roof acceleration are increased 49 and 116 percent respectively in the presence of mass eccentricity. Furthermore, it is demonstrated that torsional effects of mass eccentricity can force the drift to reach the allowable limit of ASCE 7 standard in the presence of forward directivity pulses.
Conventional braces are often used to provide stiffness to structures; however due to buckling they cannot be used as seismic energy dissipating elements. In this study, a seismic energy dissipation device is proposed which is comprised of a bracing member and a steel hysteretic damper made of steel hexagonal plates. The hexagonal shaped designated fuse causes formation of plastic hinges under axial deformation of the brace. The main advantages of this damper compared to conventional metallic dampers and buckling-restrained braces are the stable and controlled energy dissipation capability with ease of manufacture. The mechanical behavior of the damper is formulated first and a design procedure is provided. Next, the theoretical formulation and the efficiency of the damper are verified using finite element (FE) analyses. An analytical model of the damper is established and its efficiency is further investigated by applying it to seismic retrofit of a case study structure. The seismic performance of the structure is evaluated before and after retrofit in terms of maximum interstory drift ratio, top story displacement, residual displacement, and energy dissipation of dampers. Overall, the median of maximum interstory drift ratios is reduced from 3.8% to 1.6% and the residual displacement decreased in the x-direction which corresponds to the predominant mode shape of the structure. The analysis results show that the developed damper can provide cost-effective seismic protection of structures.
The purpose of this paper is to propose a simple analysis method of axial deformation of base-isolation rubber bearings in a building subjected to earthquake loading and present its applicability to the analysis of the bound of the aspect ratio of base-isolated buildings. The base shear coefficient is introduced as a key parameter for the bound analysis. The bound of the aspect ratio of base-isolated buildings is analyzed based on the relationship of the following four quantities; (i) ultimate state of the tensile stress of rubber bearings based on a proposed simple recursive analysis for seismic loading, (ii) ultimate state of drift of the base-isolation story for seismic loading, (iii) ultimate state of the axial compressive stress of rubber bearings under dead loads, (iv) prediction of the overturning moment at the base for seismic loading. In particular, a new recursive analysis method of axial deformation of rubber bearings is presented taking into account the nonlinear tensile behavior of rubber bearings and it is shown that the relaxation of the constraint on the ultimate state of the tensile stress of rubber bearings increases the limiting aspect ratio.
Past studies have shown that the aspect ratio (width-to-height) of a steel plate shear wall (SPSW) can significantly affect its seismic response. SPSWs with lower aspect ratio (narrow SPSW) may experience low lateral stiffness and flexure dominated drift response. As the height of the frame increases, the narrow SPSWs prove to be uneconomical and demonstrate inferior seismic response than their wider counterparts. Moreover, the thicker web plates required for narrow SPSWs exerts high inward pull on the VBEs. The present study suggests the limiting values of the aspect ratio for an SPSW system by evaluating the seismic collapse performance of 3-, 6- and 9-story SPSW systems using FEMA P695 methodology. For this purpose, nonlinear models are developed. These models are validated with the past quasi-static experimental results. Non-linear static analyses and Incremental dynamic analyses are then carried. The results are then utilized to conservatively suggest the limiting values of aspect ratios for SPSW system. In addition to the conventional-SPSW (Conv-SPSW), the collapse performance of staggered-SPSW (S-SPSW) is also explored. Its performance is compared with the Conv-SPSW and the use of S-SPSW is suggested in the cases where SPSW with lower than recommended aspect ratio is desired.
Han, Sang Whan;Ha, Sung Jin;Moon, Ki Hoon;Shin, Myoungsu
Earthquakes and Structures
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v.7
no.4
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pp.587-607
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2014
Progressive collapse, which is referred to as the collapse of the entire building under local damages, is a common failure mode happened by earthquakes. The collapse process highly depends on the whole structural system. Since, asymmetry of the building plan leads to the local damage concentration; it may intensify the progressive collapse mechanism of asymmetric buildings. In this research the progressive collapse of regular and irregular 6-story RC ordinary moment resisting frame buildings are studied in the presence of the earthquake loads. Collapse process and collapse propagation are investigated using nonlinear time history analyses (NLTHA) in buildings with 5%, 15% and 25% mass asymmetry with respect to the number of collapsed hinges and story drifts criteria. Results show that increasing the value of mass eccentricity makes the asymmetric buildings become unstable earlier and in the early stages with lower number of the collapsed hinges. So, with increasing the mass eccentricity in building, instability and collapse of the entire building occurs earlier, with lower potential of the progressive collapse. It is also demonstrated that with increasing the mass asymmetry the decreasing trend of the number of collapsed beam and column hinges is approximately similar to the decreasing trend in the average story drifts of the mass centers and stiff edges. So, as an alternative to a much difficult-to-calculate local response parameter of the number of collapsed hinges, the story drift, as a global response parameter, measures the potential of progressive collapse more easily.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.7
no.4
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pp.201-208
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2003
The Hybrid Wall System(HWS) building composed of center core reinforced concrete walls and exterior steel frame has open space around the center core walls. It is necessary to develop design methodologies for the HWS building that the coupled shear walls withstand the most of lateral load and expect the most energy dissipation at the coupling beams and at wall foots. Major factors considered in this paper are connection type of coupling beams and scale of story. The studies of the system are investigated in terms of shear force, overturning moment, maximum lateral displacement, story drift ratio, and dynamical characteristics under the action of vertical and lateral forces such as wind and seismic loads.
In the present study, the behavior of steel plate shear walls (SPSW) with variable column flexural stiffness is experimentally and numerically investigated. Altogether six one-bay one-story specimens, three moment resisting frames (MRFs) and three SPSWs, were designed, fabricated and tested. Column flexural stiffness of the first specimen pair (one MRF and one SPSW) corresponded to the value required by the design codes, while for the second and third pair it was reduced by 18% and 36%, respectively. The quasi-static cyclic test result indicate that SPSW with reduced column flexural stiffness have satisfactory performance up to 4% story drift ratio, allow development of the tension field over the entire infill panel, and cause negligible column "pull-in" deformation which indicates that prescribed minimal column flexural stiffness value, according to AISC 341-10, might be conservative. In addition, finite element (FE) pushover simulations using shell elements were developed. Such FE models can predict SPSW cyclic behavior reasonably well and can be used to conduct numerical parametric analyses. It should be mentioned that these FE models were not able to reproduce column "pull-in" deformation indicating the need for further development of FE simulations with cyclic load introduction which will be part of another paper.
Knowing the response of buildings to earthquakes is very important in order to ensure that a structure is able to withstand a given level of ground shaking. Thus, nonlinear dynamic earthquake engineering analyses are unavoidable and are preferable procedure in the seismic assessment of buildings. In order to estimate seismic performance on the basis of the hazard at the site where the structure is located, the selection of appropriate seismic input is known to be a critical step while performing this kind of analysis. In this paper, seismic analysis is performed for a four-story reinforced concrete ISPRA frame structure which is designed according to Eurocode 8 (EC8). A total of 90 different earthquake scenarios were selected, 30 for each of three target spectrums, EC8 spectrum, Uniform Hazard Spectrum (UHS), and Conditional Mean Spectrum (CMS). The aim of this analysis was to evaluate the average maximum Inter-story Drift Ratio (IDR) for each target spectrum. Time history analysis for every earthquake record was obtained and, as a result, IDR as the main measure of damage were presented in order to compare with defined performance levels of reinforced concrete bare frames.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.21
no.4
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pp.23-30
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2021
In this paper, a twisted shape structure with an elevation form favorable to the resistance of vibration caused by wind loads is selected from among the forms of high-rise buildings. The analytical model is a square, triangular, and hexagonal plane with a plane rotation angle of one degree from 0 to 3 degrees per each story. As a result of the analysis, as the twist angle increased, story drift ratio is increased. Responses with different eccentricity rates were shown by analytical models. Therefore planar shapes designed symmetrically to the horizontal axis of X and Y are considered advantageous for eccentricity and torsion deformation. In the case of the bending moment of the column, the response was amplified in the column supporting the base floor, the roof floor, the floor in which the cross-section of the vertical member changes, and the floor having the same number of nodes as the base floor. Finally, the axial force response of the column is determined to be absolutely affected by the gravity load compared to the lateral load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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