This study experimentally evaluated the seismic performance of steel knee braced frame structures with energy dissipation mechanism. A series of cyclic load tests were conducted on the steel moment resisting frames and the proposed knee braced frames. Test results validated that the demand in the beam-to-column connection designs was alleviated by the proposed design method. Test results also showed that the strength and stiffness of the proposed design were effectively enhanced. Comparisons in energy dissipation between the steel moment resisting frames and the steel knee braced frames further justified the applicability of the proposed method.
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.
For further development of passive control systems to dissipate larger seismic energy and prevent the structures from earthquake losses, this paper proposes an innovative two-level control system to improve behavior of chevron braced steel frames. Combining two Knee Braces, KB, and a Vertical Link Beam, VLB, in a chevron braced frame, this system can reliably sustain main shock and aftershocks in steel structures. The performance of this two-level system is examined through a finite element analysis and quasi-static cyclic loading test. The cyclic performances of VLB and KBs alone in chevron braced frames are compared with that of the presented two-level control system. The results show appropriate performance of the proposed system in terms of ductility and energy dissipation in two different excitation levels. The maximum load capacity of the presented system is about 30% and 17% higher than those of the chevron braced frames with KB and VLB alone, respectively. In addition, the maximum energy dissipation of the proposed system is about 78% and 150% higher than those of chevron braced frames with VLB and KB respectively under two separate levels of lateral forces caused by different probable seismic excitations. Finally, high performance under different earthquake levels with competitive cost and quick installation work for the control system can be found as main advantages of the presented system.
This paper describes analytical investigation into a new dual function system including a couple of shear links which are connected in series using chevron bracing capable to correlate its performance with magnitude of earthquakes. In this proposed system, called Chevron Knee-Vertical Link Beam braced system (CK-VLB), the inherent hysteretic damping of vertical link beam placed above chevron bracing is exclusively utilized to dissipate the energy of moderate earthquakes through web plastic shear distortion while the rest of the structural elements are in elastic range. Under strong earthquakes, plastic deformation of VLB will be halted via restraining it by Stopper Device (SD) and further imposed displacement subsequently causes yielding of the knee elements located at the bottom of chevron bracing to significantly increase the energy dissipation capacity level. In this paper first by studying the knee yielding mode, a suitable shape and angle for diagonal-knee bracing is proposed. Then finite elements models are developed. Monotonic and cyclic analyses have been conducted to compare dissipation capacities on three individual models of passive systems (CK-VLB, knee braced system and SPS system) by General-purpose finite element program ABAQUS in which a bilinear kinematic hardening model is incorporated to trace the material nonlinearity. Also quasi-static cyclic loading based on the guidelines presented in ATC-24 has been imposed to different models of CK-VLB with changing of vertical link beam section in order to find prime effectiveness on structural frames. Results show that CK-VLB system exhibits stable behavior and is capable of dissipating a significant amount of energy in two separate levels of lateral forces due to different probable earthquakes.
Jouneghani, Habib Ghasemi;Haghollahi, Abbas;Beheshti-Aval, S. Bahram
Steel and Composite Structures
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제37권2호
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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.
Bazzaz, Mohammad;Andalib, Zahra;Kheyroddin, Ali;Kafi, Mohammad Ali
Steel and Composite Structures
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제19권4호
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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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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