The empirical AISC panel zone thickness provision$(t_z\geq(d_z+w_z)$/90) to prevent the cyclic shear buckling of the panel zone was proposed based on the test data of Krawinkler et al. (1971) and Bertero et al. (1973) However, no published records of the equation development or any other background information appear to be available. The calibrated finite element analysis results of this study indicated that the AISC provision was not reasonable. In this study, through including the effects of the column axial force and the aspect ratio of the panel zone, a new equation for the relative strength between the beam and the panel zone was proposed such that the proposed equation can prevent the panel zone shear buckling and reduce the potential fracture associated with the kinking of the column flanges.
Eccentrically braced frames (EBFs) are utilized as a lateral resisting system in high seismic zones. Links are the primary source of energy dissipation and they are exposed to high deformation, which may lead to buckling. Web stiffeners were introduced to prevent buckling of shear link. AISC 341 provides the required vertical stiffeners for a shear link. In this study, different stiffener configurations were examined. The main objective is to improve the behavior of short links using different stiffener configurations. Pursuant to this goal, a comprehensive numerical study is conducted using ABAQUS. Shear links with different stiffener configurations were subjected to cyclic loading using loading protocol mandated by AISC 341. The results are compared in terms of energy dissipation and shear capacities and rupture index. The proposed stiffener configurations were further verified with different link length ratios, I-shapes and thickness of stiffener. Based on the results, the stiffener configuration with two vertical and two diagonal stiffeners perpendicular to each other is recommended. The proposed stiffener configuration can increase the shear capacity, energy dissipation capacity and the ratio of energy/weight up to 27%, 38% and 30%, respectively. Detailing of the proposed stiffener configuration is presented.
Steel plate shear walls (SPSWs) are one of the most important and widely used lateral load-bearing systems. The reason for this is easier execution than reinforced concrete (RC) shear walls, faster construction time, and lower final weight of the structure. However, the main drawback of SPSWs is premature buckling in low drift ratios, which affects the energy absorption capacity and global performance of the system. To address this problem, two groups of SPSWs under cyclic loading were investigated using the finite element method (FEM). In the first group, several series of circular rings have been used and in the second group, a new type of SPSW with concentric circular rings (CCRs) has been introduced. Numerous parameters include in yield stress of steel plate wall materials, steel panel thickness, and ring width were considered in nonlinear static analysis. At first, a three-dimensional (3D) numerical model was validated using three sets of laboratory SPSWs and the difference in results between numerical models and experimental specimens was less than 5% in all cases. The results of numerical models revealed that the full SPSW undergoes shear buckling at a drift ratio of 0.2% and its hysteresis behavior has a pinching in the middle part of load-drift ratio curve. Whereas, in the two categories of proposed SPSWs, the hysteresis behavior is complete and stable, and in most cases no capacity degradation of up to 6% drift ratio has been observed. Also, in most numerical models, the tangential stiffness remains almost constant in each cycle. Finally, for the innovative SPSW, a relationship was suggested to determine the shear capacity of the proposed steel wall relative to the wall slenderness coefficient.
한국지진공학회 1997년도 춘계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Fall 1997
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pp.182-190
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1997
A new method to prevent reinforced concrete columns from brittle failure. The method is called transversely reinforcing method in which only the critical regions are confined in steel tube. The steel tubes can change the failure mode of the latter columns from the shear to the flexure. The steel tubes also increase the compressive strength, shear strength and deformation capacity of the infilled concrete. The following conclusions are reached on bases of the study on the seismic performance of the high-strength RC rectangualr short columns confined in steel tube with shear span tho depth ratio of 2.0 The brittle shear failure of high-strength reinforced concrete short columns with large amount of longitudinal bars, which cannot prevented by using the maximum amount of welded hoops, can be prevented by using the steel tube which confines all the maximum amount of welded hoops, can be prevented by using the steel tube which confines all the concrete inclusive of cover concrete. High-strength RC short columns confined in rectangular steel tube provided excellent enhancement of seismic performance but, found that plastic buckling of the steel tube in the hinge regions tended to occur when the columns were subjected to large cyclic lateral displacements. In order to prevent the plastic buckling when the columns lies on large on cyclic lateral displacements, the steel ribs were used for columns. Tests have established that the columns provide excellent enhancement of seismic performance of inadequately confined columns.
Flange and web local buckling in beam plastic hinge regions of steel moment frames can prevent beam-column connections from achieving adequate plastic rotations under earthquake-induced forces. Reducing the flange-web slenderness ratios (FSR/WSR) of beams is the most effective way in mitigating local member buckling as stipulated in the latest seismic design specifications. However, existing steel moment frame buildings with beams that lack the adequate slenderness ratios set forth for new buildings are vulnerable to local member buckling and thereby system-wise instability prior to reaching the required plastic rotation capacities specified for new buildings. This paper presents results from a research study investigating the cyclic behavior of steel I-beams modified by a welded haunch at the bottom flange and reinforced with glass fiber reinforced polymers at the plastic hinge region. Cantilever I-sections with a triangular haunch at the bottom flange and flange slenderness ratios higher then those stipulated in current design specifications were analyzed under reversed cyclic loading. Beam sections with different depth/width and flange/web slenderness ratios (FSR/WSR) were considered. The effect of GFRP thickness, width, and length on stabilizing plastic local buckling was investigated. The FEA results revealed that the contribution of GFRP strips to mitigation of local buckling increases with increasing depth/width ratio and decreasing FSR and WSR. Provided that the interfacial shear strength of the steel/GFRP bond surface is at least 15 MPa, GFRP reinforcement can enable deep beams with FSR of 8-9 and WSR below 55 to maintain plastic rotations in the order of 0.02 radians without experiencing any local buckling.
A new type of earthquake-resisting element that consists of a steel plate shear wall with slits is introduced. The infill steel plate is divided into a series of vertical flexural links with vertical links. The steel plate shear walls absorb energy by means of in-plane bending deformation of the flexural links and the energy dissipation capacity of the plastic hinges formed at both ends of the flexural links when under lateral loads. In this paper, finite element analysis and experimental studies at low cyclic loadings were conducted on specimens with steel plate shear walls with multilayer slits. The effects caused by varied slit pattern in terms of slit design parameters on lateral stiffness, ultimate bearing capacity and hysteretic behavior of the shear walls were analyzed. Results showed that the failure mode of steel plate shear walls with a single-layer slit was more likely to be out-of-plane buckling of the flexural links. As a result, the lateral stiffness and the ultimate bearing capacity were relatively lower when the precondition of the total height of the vertical slits remained the same. Differently, the failure mode of steel plate shear walls with multilayer slits was prone to global buckling of the infill steel plates; more obvious tensile fields provided evidence to the fact of higher lateral stiffness and excellent ultimate bearing capacity. It was also concluded that multilayer specimens exhibited better energy dissipation capacity compared with single-layer plate shear walls.
Cyclic behaviour of composite (steel-concrete) plate shear walls (CPSW) with variable column flexural stiffness is experimentally and numerically investigated. The investigation included design, fabrication and testing of three pairs of one-bay one-storey CPSW specimens. The reference specimen pair was designed in way that its column flexural stiffness corresponds to the value required by the design codes, while within the other two specimen pairs column flexural stiffness was reduced by 18% and 36%, respectively. Specimens were subjected to quasi-static cyclic tests. Obtained results indicate that column flexural stiffness reduction in CPSW does not have negative impact on the overall behaviour allowing for satisfactory performance for up to 4% storey drift ratio while also enabling inelastic buckling of the infill steel plate. Additionally, in comparison to similar steel plate shear wall (SPSW) specimens, column "pull-in" deformations are less pronounced within CPSW specimens. Therefore, the results indicate that prescribed minimal column flexural stiffness value used for CPSW might be conservative, and can additionally be reduced when compared to the prescribed value for SPSWs. Furthermore, finite element (FE) pushover simulations were conducted using shell and solid elements. Such FE models can adequately simulate cyclic behaviour of CPSW and as such could be further used for numerical parametric analyses. It is necessary to mention that the implemented pushover FE models were not able to adequately reproduce column "pull-in" deformation and that further development of FE simulations is required where cyclic loading of the shear walls needs to be simulated.
The steel slit shear wall (SSSW), made by cutting vertical slits in a steel plate, is increasingly used for the seismic protection of building structures. In the domain of thin plate shear walls, the out-of-plane buckling together with the potential fracture developed at slit ends at large lateral deformation may result in degraded shear strength and energy dissipation, which is not desirable in view of seismic design. To address this issue, the present study proposed a new type of SSSW made by intentionally introducing initial out-of-plane folding into the originally flat slitted plate. Quasi-static cyclic tests on three SSSWs with different amplitudes of introduced out-of-plane folding were conducted to study their shear strength, elastic stiffness, energy dissipation capacity and buckling behavior. By introducing proper amplitude of out-of-plane folding into the SSSW fracture at slit ends was eliminated, plumper hysteretic behavior was obtained and there was nearly no strength degradation. A method to estimate the shear strength and elastic stiffness of the new SSSW was also proposed.
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.
Seven columns laterally reinforced with either mechanically anchored crossties or conventional crossties under cyclic loading are tested. 4 columns are specimens for flexural strength and 3 columns are for shear strength. Main variable is anchorage types of crossties. Conventional hooks, 180$^{\circ}$ standard hook-mechanical anchorage and all mechanical anchorage type are used. The specimens are tested under 10$\%$ axial load of nominal axial capacity of the columns combined with increasing lateral load. From the flexure test, it is found that columns with mechanical anchorages exhibit superior performance in terms of ductility and energy dissipation. The crossties with mechanical anchorages reduce buckling length of longitudinal rebar. From the shear test, it is found that. 3 specimens exhibit almost the same strength, displacement, and shear failure mode at ductility factor =2.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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