This paper proposes an extension of the Improved Forced Based Design procedure to 3D steel structures. The Improved Forced Based Design (IFBD) procedure consists of a more rational sequence of the design checks proposed in Eurocode 8 and involves a more realistic selection of the behaviour factor instead of selecting an empirical value based on the ductility class and lateral resisting system adopted. The design procedure was tested on a group of four 3D steel structures, composed by moment-resisting frames with three storeys height and the same plan configuration in all storeys. The plan configuration was defined in order to target lateral restrained or unrestrained systems as well as plan regular or irregular structures. The same group of structures was also designed according to the force-based process prescribed in Eurocode 8. The member sizes obtained through the two approaches were compared and the seismic performance was assessed through nonlinear static and time-history analyses. The limit states referred to structural and non-structural damage, considering the two levels design approach, which are the serviceability and the ultimate limit states, were examined. The results obtained reveal that the IFBD leads to more economical structures that still comply with the performance requirements prescribed in Eurocode 8.
Byeonguk Ahn;Fahimeh Yavartanoo;Jang-Keun Yoon;Su-Min Kang;Seungjun Kim;Thomas H.-K. Kang
Computers and Concrete
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v.31
no.4
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pp.337-348
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2023
Shear wall is commonly used as a lateral force resisting system of concrete mid-rise and high-rise buildings, but it brings challenges in providing relatively large space throughout the building height. For this reason, the structure system where the upper structure with bearing, non-bearing and/or shear walls that sits on top of a transfer plate system supported by widely spaced columns at the lower stories is preferred in some regions, particularly in low to moderate seismic regions in Asia. A thick reinforced concrete (RC) plate has often been used as a transfer system, along with RC transfer girders; however, the RC plate becomes very thick for tall buildings. Applying the post-tensioning (PT) technique to RC plates can effectively reduce the thickness and reinforcement as an economical design method. Currently, a simplified model is used for numerical modeling of PT transfer plate, which does not consider the interaction of the plate and the upper structure. To observe the actual behavior of PT transfer plate under seismic loads, it is necessary to model whole parts of the structure and tendons to precisely include the interaction and the secondary effect of PT tendons in the results. This research evaluated the seismic behavior of shear wall-type residential buildings with PT transfer plates for the condition that PT tendons are included or excluded in the modeling. Three-dimensional finite element models were developed, which includes prestressing tendon elements, and response spectrum analyses were carried out to evaluate seismic forces. Two buildings with flat-shape and L-shape plans were considered, and design forces of shear walls and transfer columns for a system with and without PT tendons were compared. The results showed that, in some cases, excluding PT tendons from the model leads to an unrealistic estimation of the demands for shear walls sit on transfer plate and transfer columns due to excluding the secondary effect of PT tendons. Based on the results, generally, the secondary effect reduces shear force demand and axial-flexural demands of transfer columns but increases the shear force demand of shear walls. The results of this study suggested that, in addition to the effect of PT on the resistance of transfer plate, it is necessary to include PT tendons in the modeling to consider its effect on force demand.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.3
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pp.181-190
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2016
The objective of this study is to apply performance-based seismic design to high-rise apartment buildings in Korean considering collapse prevention level. The possible issues during its application were studied and the suggestions were made based on the findings from the performance-based seismic design of a building with typical residential multi-unit layout. The lateral-force-resisting system of the building is ordinary shear walls system with a code exception of height limit. In order to allow the exception, the serviceability and the stability of the ordinary shear wall structure need to be evaluated to confirm that it has the equivalent performance as the one designed under the Korean Building Code 2009. The structure was evaluated whether it satisfied its performance objectives to withstand Service Level and Maximum Considered Earthquake.
Lim, Chang-Gue;Moon, Kyo Young;Lee, Hong-Seok;Kim, Sung Jig;Kim, Young Nam;Lee, Kihak
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.4
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pp.123-130
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2020
Generally the non-bearing walls in apartment buildings in Korea are not considered as a lateral force resisting members for the design consideration. This engineering practice caused large crack damages and brittle fractures of the non-bearing walls when subjected to Pohang earthquakes in 2017 since those have not been designed for seismic loading. In this study, finite element analysis was conducted for slot type non-bearing wall connection system to reduce damages and concentrate damages to the designated damping device through separation from the structural wall members. Steel plate and dowel bar systems designed for the dissipation of seismic energies were modeled and analyzed to investigate the damage reductions. Finally, the test result and the analysis result were compared and verified.
As the main lateral load resisting system in high-rise reinforced concrete structures, the mechanical performance of shear wall has a significant impact on the structure, especially for high-rise buildings. Steel corrosion has been recognized as an important factor affecting the mechanical performance and durability of the reinforced concrete structures. To investigate the effect on the seismic behaviour of corroded reinforced concrete shear wall induced by corrosion, analytical investigations and simulations were done to observe the effect of corrosion on the ultimate seismic capacity and drift capacity of shear walls. To ensure the accuracy of the simulation software, several validations were made using both non-corroded and corroded reinforced concrete shear walls based on some test results in previous literature. Thereafter, a parametric study, including 200 FE models, was done to study the influence of some critical parameters on corroded structural shear walls with boundary element. These parameters include corrosion levels, axial force ratio, aspect ratio, and concrete compressive strength. The results obtained would then be used to propose equations to predict the seismic resistance and drift capacity of shear walls with various corrosion levels.
Park, Jae-Seong;Kang, Chang-Hoon;Shon, Su-Deok;Lee, Seung-Jae
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.3
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pp.19-28
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2018
Key factors that ensure competitiveness of modular unit include consistent high quality and connection condition that ensures high structural performance while minimizing the overall scale of the on-site process. However, it is difficult to evaluate the structural performance of the connection of modular unit, and its structural analysis and design method can be different depending on the connection to its development, which affects the seismic performance of its final design. In particular, securing the seismic performance is the key to designing modular systems of mid-to-high-rise structure. In this paper, therefore, the seismic performance of the modular system with bracket-typed fully restrained moment connections according to stiffness and the shapes of various connection members was evaluated through experimental and analytical methods. To verify the seismic performance, a cyclic loading test of the connection joint of the proposed modular system was conducted. As a result of this study, theoretical values and experimental results were compared with the initial stiffness, hysteresis behavior and maximum bending moment of the modular system. Also, the connection joint was modeled, using the commercial program ANSYS, which was then followed by finite element analysis of the system. According to the results of the experiment, the maximum resisting force of the proposed connection exceeded the theoretical parameters, which indicated that a rigid joint structural performance could be secured. These results almost satisfied the criteria for connection bending strength of special moment frame listed on KBC2016.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.2
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pp.93-101
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2024
Code-compliant seismic design should be essentially applied to realize the so-called emulative performance of precast concrete (PC) lateral force-resisting systems, and this study developed simple procedures to design precast industrial buildings with intermediate precast bearing wall systems considering both the effect of seismic and blast loads. Seismic design provisions specified in ACI 318 and ASCE 7 can be directly adopted, for which the so-called 1.5Sy condition is addressed in PC wall-to-wall and wall-to-base connections. Various coupling options were considered and addressed in the seismic design of wall-to-wall connections for the longitudinal and transverse design directions to secure optimized performance and better economic feasibility. On the other hand, two possible methods were adopted in blast analysis: 1) Equivalent static analysis (ESA) based on the simplified graphic method and 2) Incremental dynamic time-history analysis (IDTHA). The ESA is physically austere to use in practice for a typical industrial PC-bearing wall system. Still, it showed an overestimating trend in terms of the lateral deformation. The coupling action between precast wall segments appears to be inevitably required due to substantially large blast loads compared to seismic loads with increasing blast risk levels. Even with the coupled-precast shear walls, the design outcome obtained from the ESA method might not be entirely satisfactory to the drift criteria presented by the ASCE Blast Design Manual. This drawback can be overcome by addressing the IDTHA method, where all the design criteria were fully satisfied with precast shear walls' non-coupling and group-coupling strength, where each individual or grouped shear fence was designed to possess 1.5Sy for the seismic design.
Masoomeh Naraghi;S. Mohammad Mirhosseini;Hossein Rahami;Abdolreza S. Moghadam
Steel and Composite Structures
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v.53
no.2
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pp.155-167
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2024
Identifying the location of earthquake-induced damage in buildings and mitigating its impact, especially in low-damage systems such as rocking frames, is a significant challenge for structural engineers. Therefore, it is crucial to investigate the sensitivity and type of damage of buildings exposed to severe earthquakes to concentrate damage in predefined locations that can be repaired easily. This paper explores the seismic responses of a Self-Centering Rocking Steel Braced Frame (SCR-SBF) under far-field and near-field ground motions. This earthquake-resistant system includes components such as post-tensioning cables to provide frame self-centering, eliminate residual drift in the system, and replaceable fuses to concentrate the earthquake-induced damage. While previous studies have examined far and near-field earthquakes, their comparative influence on the seismic behavior of structures with a rocking system remains unexplored. This paper presents a novel investigation into the sensitivity of SCR-SBF structures to far and near-field earthquakes. Considering the critical effects of shock and impulse loads on rocking systems, the study aims to assess the effects of near-field earthquakes and compare them to far-field earthquakes on these systems. For this purpose, different response parameters have been calculated under records of far- and near-field earthquakes at three specific ground acceleration levels by incremental nonlinear dynamic analysis. Additionally, the seismic behavior of the SCR-SBF and Steel-Braced Frame (SBF) are compared for near and far-field ground motions. The results show that SCR-SBF systems have better resilience and reduced local failures compared to SBF systems under far and near-field earthquakes, requiring tailored design strategies.
The tension-only braced frames (TOBFs) are widely used as a lateral force resisting system (LFRS) in low-rise steel buildings due to their simplicity and economic advantage. However, the system has poor seismic energy dissipation capacity and pinched hysteresis behavior caused by early buckling of slender bracing members. The main concern in utilizing the TOBF system is the determination of appropriate performance factors for seismic design. A formalized approach to quantify the seismic performance factor (SPF) based on determining an acceptable margin of safety against collapse is introduced by FEMA P695. The methodology is applied in this paper to assess the SPFs of the TOBF systems. For this purpose, a trial value of the R factor was first employed to design and model a set of TOBF archetype structures. Afterwards, the level of safety against collapse provided by the assumed R factor was investigated by using the non-linear analysis procedure of FEMA P695 comprising incremental dynamic analysis (IDA) under a set of prescribed ground motions. It was found that the R factor of 3.0 is appropriate for safe design of TOBFs. Also, the system overstrength factor (Ω0) was estimated as 2.0 by performing non-linear static analyses.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.3
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pp.21-30
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2018
Building structures of apartment in korea conventionally adopt shear walls using coupling beams as seismic force-resisting systems. Energy dissipating devices employed the building structures are used instead of the coupling beams in order to increase the seismic performances by providing additional damping and stiffness. This study aims to introduce energy dissipating devices which are preferred in structural system and aims to investigate structural behaviors of shear wall structures employing such devices instead of coupling beams. In order for achieve research objectives, Finite Element Analysis and Nonlinear analysis was carry out. Finite Element Analysis results was correspond with experimental results and this is indicated that the device can provide sufficient additional damping and stiffness into shear wall structures. Throughout nonlinear static analyses, examples structures with the devices can enhance seismic performance of building structures due to their sufficient energy dissipating capacities. Especially, strength and ductility capacities were significantly improved when it is compared with the performance of building structures without the devices. Throughout nonlinear dynamic analyses, it was observed that structural damages can be mitigated due to reduced seismic demands for seismic force-resisting systems. It is especially noted due to the fact that story drifts, accelerations, shear demands are reduced by 15~18%, 20~28% and 15~20%, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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