Knee Braced Frame (KBF) is a special form of ductile eccentrically braced frame having a diagonal brace connected to a knee element, as a hysteretic damper, instead of beam-column joint. This paper first presents an experimental investigation on cyclic performance of two knee braced single span one-story frame specimens. The general test arrangement, specimen details, and most relevant results (failure modes and hysteretic curves) are explained. Some indexes to assess the seismic performance of KBFs, including ductility; response reduction factor and energy dissipation capabilities are also subsequently discussed. Experimental results indicate that the maximum equivalent damping ratios achieved by test frames are 21.8 and 23% for the specimens, prior to failure. Finally, a simplified analytical model is derived to predict the bilinear behavior of the KBFs. Acceptable conformity between analytical and experimental results proves the accuracy of the proposed model.
Inelastic static pushover analysis has been used in the academic-research widely for seismic analysis of structures. Nowadays, the variety pushover analysis methods have been developed, including Modal pushover, Adaptive pushover, and Cyclic pushover, in which some weaknesses of the conventional pushover method have been rectified. In the conventional pushover analysis method, the effects of cumulative growth of cracks are not considered on the reduction of strength and stiffness of RC members that occur during earthquake or cyclic loading. Therefore, the Cyclic Pushover Analysis Method (CPA) has been proposed. This method is a powerful technique for seismic evaluation of regular reinforced concrete buildings in which the first mode of them is dominant. Since the bridges have different structures than buildings, their results cannot necessarily be attributed to bridges, and more research is needed. In this study, a cyclic pushover analysis with four loading protocols (suggested by valid references) by the Opensees software was conducted for seismic evaluation of two regular reinforce concrete bridges. The modeling method was validated with the comparison of the analytical and experimental results under both cyclic and dynamic loading. The failure mode of the piers was considered in two-mode of flexural failure and also a flexural-shear failure. Along with the cyclic analysis, conventional analysis has been studied. Also, the nonlinear incremental dynamic analysis (IDA) method has been used to examine and compare the results of pushover analyses. The time history of 20 far-field earthquake records was used to conduct IDA. After analysis, the base shear vs. displacement in the middle of the deck was drawn. The obtained results show that the cyclic pushover analysis method is able to evaluate an accurate seismic behavior of the reinforced concrete piers of the bridges. Based on the results, the cyclic pushover has proper convergence with IDA. Its accuracy was much higher than the conventional pushover, in which the bridge piers failed in flexural-shear mode. But, in the flexural failure mode, the results of each two pushover methods were close approximately. Besides, the cyclic pushover method with ACI loading protocol, and ATC-24 loading protocol, can provided more accurate results for evaluating the seismic investigation of the bridges, specially if the bridge piers are failed in flexural-shear failure mode.
Kim, Sung-Wan;Yun, Da-Woon;Kim, Jae-Bong;Jeon, Bub-Gyu
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.2
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pp.35-42
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2021
In this study, a steel frame that realized the second floor of a structure was fabricated in referring to NFPA 13. In addition, a riser pipe system with groove joints was installed, and a seismic simulation test was performed using static cyclic loading. Cyclic loading tests on the maximum allowable side sway of seismic design standards for buildings in Korea were conducted using actuators to analyze the seismic behavior of the riser pipe system and major piping elements due to the deformation of the steel frame structure or the displacement-dominant behavior caused by the relative displacement between the structural members in the event of a seismic load. Moreover, the deformation angle of the riser pipe system was measured using an image measurement system because it is difficult to measure using the conventional sensors.
A strut-and-tie model is introduced in this paper to predict the ultimate shear strength of non-seismically detailed columns. The validity and applicability of the proposed strut-and-tie model are evaluated by comparison with available experimental data. The model was developed based on visible crack patterns observed on the test specimens. The concrete contribution is integrated into the strut-and-tie model through a concept of equivalent transverse reinforcement. To further validate the model a full-scale non-seismically detailed reinforced concrete column was tested to investigate its seismic behavior. The specimen was tested under the combination of a constant axial load, $0.30f_c{^{\prime}}A_g$ and quasi-static cyclic loadings simulating earthquake actions. Quasi-static cyclic loadings simulating earthquake actions were applied to the specimen until it could not sustain the applied axial load. The analytical results reveal that the strut-and-tie method is capable of modeling to a satisfactory accuracy the ultimate shear strength of non-seismically detailed columns subjected to reserved cyclic loadings.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.1
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pp.41-48
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2017
Columns in existing reinforced concrete structures that are designed and constructed without considering seismic loads generally exhibit widely spaced transverse reinforcements without using seismic hooks. Due to the insufficient reinforcement details in columns compared to the reinforcement requirements specified in modern seismic codes, brittle shear failure is likely to occur. This may lead to sudden collapse of entire structure during earthquakes. Adequate retrofit strategy is required for these columns to avoid such catastrophic event. In order to do so, behavior of columns in existing reinforced concrete structures should be accurately predicted through computational analysis. In this study, an analytical model is proposed for accurately simulating the cyclic behavior of shear critical columns. The parameters for backbone, as well as pinching and cyclic deterioration in strength and stiffness are calibrated using test data of column specimens failed by shear.
The behavior of beam-column joints in moment resisting frame structures is susceptible to damage caused by seismic effects due to poor performance of the joints. A good number of researches were carried out to understand the complex mechanism of RC joints considered in current seismic design codes. The traditional construction detailing of transverse reinforcement has resulted in serious joint failures during earthquakes. This paper introduces a new design philosophy involving the use of additional diagonal bars within the joint particularly suitable for low to medium seismic effects in earthquake zones. In this study, ten full-scale interior beam-column specimens were constructed with various additional reinforcement details and configurations. The results of the experiment showed that adding additional bars is a promising approach in reinforced concrete structures where earthquakes are eminent. In terms of overall cracking observation during the test, the specimens with additional bars (diagonal and straight) compared with the ones without them showed fewer cracks in the column. Furthermore, concrete confinement is certainly an important design measure as recommended by most international codes.
Solid piers with a rounded rectangular cross-section are widely used in railway bridges for high-speed trains in China. Compared to highway bridge piers, these railway bridge piers have a larger crosssection and less steel reinforcement. Existing material models cannot accurately predict the seismic behavior of this kind of railway bridge piers. This is because only a few parameters, such as axial load, longitudinal and transverse reinforcement, are taken into account. To enable a better understanding of the seismic behavior of this type of bridge pier, a simultaneous influence of the various parameters, i.e. ratio of height to thickness, axial load to concrete compressive strength ratio and longitudinal to transverse reinforcements, on the failure characteristics, hysteresis, skeleton curves, and displacement ductility were investigated. In total, nine model piers were tested under cyclic loading. The hysteretic response obtained from the experiments is compared with that obtained from numerical studies using existing material models. The experimental data shows that the hysteresis curves have significantly pinched characteristics that are associated with small longitudinal reinforcement ratios. The displacement ductility reduces with an increase in ratio of axial load to concrete compressive strength and longitudinal reinforcement ratio. The experimental results are largely in agreement with the numerical results obtained using Chang-Mander concrete model.
The strength and stiffness of the steel beams to concrete-filled tubular columns connections are significantly reduced if the thick-walled components are used. However, the thick-walled tubes used for columns can largely reduce the demand for space and increase the strength-to-weight ratio. This paper describes the cyclic performance of extended through-diaphragm connections between steel beams and thick-walled concrete-filled tubular columns improved with fillets around the diaphragm corners. Test on one full-scale connection was conducted to assess the seismic behavior of the connection in terms of strength, stiffness, ductility, deformation, energy dissipation, and strain distribution. It is shown that the fillets and extended through-diaphragm can alleviate the stress concentration in the connection and thus improve the seismic performance. The test results demonstrate that the through-diaphragm connections with thick-walled concrete-filled tubular columns can offer sufficient energy dissipation capacity and ductility appropriate for its potential application in seismic design.
Tabebordbar, Amir;Dehghan, Seyed Mehdi;Fathi, Farshid;Najafgholipour, Mohammad Amir
Steel and Composite Structures
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v.41
no.5
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pp.747-759
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2021
Built-up Double-I (BD-I) columns have been commonly used for mid-rise steel-frame structures in Iran. These columns consist of two hot rolled IPE sections which are connected by two cover plates and fillet welds. Until 2017, BD-I columns were employed in intermediate moment resisting frames (MRF) using welded flange plate (WFP) connections. To evaluate the seismic behavior of the connections, four samples were made and tested based on cyclic loading according to AISC 341-16. It was concluded that typical samples cannot satisfy the seismic provisions related to intermediate MRFs. In contrast, the proposed connections retrofitted with two-part external diaphragms were able to satisfy not only the seismic requirements related to intermediate MRFs but also those related to special MRFs according to AISC. The numerical modeling of these samples was performed using ABAQUS finite element software. This study compared the hysteresis moment-rotation curves, plastic strains, and behavior modes in both experimental samples and numerical models.
Kim, Jae-Kwan;Kim, Ick-Hyun;Lim, Hyun-Woo;Lee, Jae-Ho
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.15
no.2
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pp.263-272
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2003
Scaled model tests were carried out to investigate a seismic behavior of reinforced concrete piers with hollow-rectangular section that were not detailed for seismic load. Additional lateral reinforcing bars were not provided that might be required for confinement against earthquake load. Two kinds of reinforcement details were considered for the longitudinal reinforcing bars: lap-spliced and continuous. In the lap-spliced model all longitudinal bars were lapped at the same height in a bottom plastic hinge zone. In the other model all longitudinal bars extended continuously throughout the height. The constructed models were subjected to quasi-static cyclic lateral loading in the presence of the constant vertical load. Limited ductile behavior was observed in the test of lap-spliced model and more ductile behavior was observed in the test of a continuous longitudinal reinforcement model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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