Lu Sui;Hanheng Wu;Menglong Tao;Zhichao Jia;Tianhua Zhou
Steel and Composite Structures
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v.47
no.5
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pp.663-677
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2023
The self-centering energy-dissipating coupled wall panels (SECWs) possess a dual capacity of resiliency and energy dissipation. Used in steel frames, the SECWs can localize the damage of structures and reduce residual drifts. Based on OpenSEES, the nonlinear models were established and validated by experimental results. The seismic design procedure of steel frame with SECW structures (SF-SECW) was proposed in accordance with four-level seismic fortification objectives. Nonlinear time-history response analyses were carried out to validate the reasonability of seismic design procedure for 6-story and 12-story structures. Results show that the inter-story drifts of designed structures are less than drift limits. According to incremental dynamic analyses (IDA), the fragility curves of mentioned-above structure models under different limit states were obtained. The results indicate that designed structures have good seismic performance and meet the seismic fortification objectives.
A novel asymmetrical resistance friction damper (ARFD) was proposed in this study to be applied on a rocking column base. The damper comprises multiple steel plates and was fastened using high-strength bolts. The sliding surfaces can be switched into one another and can cause strength to be higher in the loading direction than in the unloading direction. By combining the asymmetrical resistance with the restoring resistance that is generated due to an axial load on the column, the rocking column base can develop a self-centering behavior and achieve high connection strength. Cyclic tests on the ARFD proved that the damper performs a stable asymmetrical hysteretic loop. The desired hysteretic behavior was achieved by tuning the bolt pretension force and the diameter of the round bolt hole. In this study, full-scale, flexural tests were conducted to evaluate the performance of the column base and to verify the analytical model. The results indicated that the column base exhibits a stable self-centering behavior up to a drift angle of 4%. The decompression moment and maximum strength reached 42% and 88% of the full plastic moment of the section, respectively, under a column axial force ratio of approximately 0.2. The strengths and self-centering capacity can be obtained by determining the bolt pretension force. The analytical model results revealed good agreement with the experimental results.
Akbar Nikzad;Alireza Kiani;Seyed Alireza Kazerounian
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.5
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pp.463-480
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2023
The buckling-restrained braced frames with eccentric configurations (BRBF-Es) exhibit stable cyclic behavior and possess a high energy absorption capacity. Additionally, they offer architectural advantages for incorporating openings, much like Eccentrically Braced Frames (EBFs). However, studies have indicated that significant residual drifts occur in this system when subjected to earthquakes at the Maximum Considered Earthquake (MCE) hazard level. Consequently, in order to mitigate these residual drifts, it is recommended to employ self-centering systems alongside the BRBF-E system. In our current research, we propose the utilization of the Direct Displacement-Based Seismic Design method to determine the design base shear for a hybrid system that combines BRBF with an eccentric configuration and a self-centering frame. Furthermore, we present a methodology for designing the individual components of this composite system. To assess the effectiveness of this design approach, we designed 3-, 6-, and 9-story buildings equipped with the BRBF-E-SCF system and developed finite element models. These models were subjected to two sets of ground motions representing the Maximum Considered Earthquake (MCE) and Design Basis Earthquake (DBE) seismic hazard levels. The results of our study reveal that although the combined system requires a higher amount of steel material compared to the BRBF-E system, it substantially reduces residual drift. Furthermore, the combined system demonstrates satisfactory performance in terms of story drift and ductility demand.
Sisi Chao;Guanqi Lan;Hua Huang;Huiping Liu;Chenghua Li
Steel and Composite Structures
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v.51
no.3
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pp.289-304
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2024
The seismic performance of traditional steel frame-shear wall structures was significantly improved by the application of self-centering steel-reinforced concrete (SRC) wall-panel structures in the steel frames. This novel resilience functionality can rapidly restore the structure after an earthquake. The presented steel frame with steel-reinforced concrete self-centering wall-panel structures (SF-SCW) was validated, indicating its excellent seismic performance. The seismic design method based on bear capacity cannot correctly predict the elastic-plastic performance of the structure, especially certain weak floors that might be caused by a major fracture. A four-level seismic performance index, including intact function, continued utilization, life safety, and near-collapse, was established to achieve the ideal failure mode. The seismic design method, based on structural displacement, was proposed by considering performance objectives of the different seismic action levels. The pushover analysis of a six-floor SF-SCW structure was carried out under the proposed design method and the results showed that this six-floor structure could achieve the predicted failure mode.
Residual deformation is a crucial index that should be paid special attention in the performance-based seismic analyses of reinforced concrete (RC) structures. Owing to their superior re-centering capacity under earthquake excitations, the post-tensioned self-centering (PTSC) RC frames have been proposed and developed for engineering application during the past few decades. This paper presents a comprehensive assessment on the seismic fragility of a PTSC frame by simultaneously considering maximum and residual deformations. Bivariate limit states are defined according to the pushover analyses for maximum deformations and empirical judgments for residual deformations. Incremental Dynamic Analyses (IDA) are conducted to derive the probability of exceeding predefined limit states at specific ground motion intensities. Seismic performance of the PTSC frame is compared with that of a conventional monolithic RC frame. The results show that, taking a synthetical consideration of maximum and residual deformations, the PTSC frame surpasses the monolithic frame in resisting most damage states, but is more vulnerable to ground motions with large intensities.
In this study, cyclic loading analysis was conducted in order to understand the behavior of self-centering connections based on the number of PT(posttensioning) strands and initial posttensioning force. The initial posttensioning force needs to be above the yield moment of an angle for obtaining noticeable self-centering effect and it is proper that decompression moment ratio needs to be below 0.35 to minimize the residual displacement of major elements. As the number of PT strands increased, self-centering capacity also improved since initial posttensiong force in each PT strand has been decreased. It is also appropriate that initial posttensiong force needs to be less than or equal to 75% of yield strength of PT strands.
Self-centering wall (SCW) is a resilient and sustainable structural system which incorporates unbonded posttensioning (PT) tendons to provide self-centering (SC) capacity along with supplementary dissipators to dissipate seismic energy. Hysteretic energy dissipators are usually placed at two sides of SCWs to facilitate ease of postearthquake examination and convenient replacement. To achieve a good prediction for the skeleton curve of the wall, this paper firstly developed an analytical investigation on lateral load responses of self-centering walls with distributed vertical dampers (VD-SCWs) using the concept of elastic theory. A simplified method for the calculation of limit state points is developed and validated by experimental results and can be used in the design of the system. Based on the analytical results, parametric analysis is conducted to investigate the influence of damper and tendon parameters on the performance of VD-SCWs. The results show that the proposed approach has a better prediction accuracy with less computational effects than the Perez method. As compared with previous experimental results, the proposed method achieves up to 60.1% additional accuracy at the effective linear limit (DLL) of SCWs. The base shear at point DLL is increased by 62.5% when the damper force is increased from 0kN to 80kN. The wall stiffness after point ELL is reduced by 69.5% when the tendon stiffness is reduced by 75.0%. The roof deformation at point LLP is reduced by 74.1% when the initial tendon stress is increased from $0.45f_{pu}$ to $0.65f_{pu}$.
A self-centering wall (SCW) is a lateral resistant rocking system that incorporates posttensioned (PT) tendons to provide a self-centering capacity along with dampers to dissipate energy. This paper investigates the rocking responses of a SCW with base viscous dampers under a sinusoidal-type pulse considering yielding and fracture behaviour of the PT tendon. The differences in the overturning acceleration caused by different initial forces in the PT tendon are computed by the theoretical method. The exact analytical solution to the linear approximate equation of motion is also provided for slender SCWs. Finally, the effects of the ductile behaviour of PT tendons on the rocking response of a SCW are analysed. The results demonstrate that SCWs exhibit two overturning modes under pulse excitation. The overturning region with Mode 1 in the PT force cases separates the safe region of the wall into two parts: region S1 with an elastic tendon and region S2 with a fractured tendon. The minimum overturning acceleration of a SCW with an elastic-brittle tendon becomes insensitive to excitation frequency as the PT force increases. After the plastic behaviour of the PT tendon is considered, the minimum overturning acceleration of a SCW is increased significantly in the whole range of the studied wg/p.
The force-deformation behavior, strain distribution and failure modes of a variable damping self-centering brace (VD-SCB) are theoretically analyzed, experimentally studied, and numerically simulated to guide its design. The working principle of the brace is explained by describing the working stages and the key feature points of the hysteretic curve. A large-scale brace specimen was tested under different sinusoidal excitations to analyze the recentering capability and energy dissipation. Results demonstrate that the VD-SCB exhibits a full quasi-flag-shaped hysteretic response, high ultimate bearing capacity, low activation force and residual deformation, and excellent recentering and energy dissipation capabilities. Calculation equations of the strain distribution in different parts of the brace are proposed and are compared with the experimental data and simulated results. The developments of two failure modes are compared. Under normal circumstances, the brace fails due to the yielding of the spring blocking plates, which are easily replaced to restore the normal operating conditions of the brace. A brief description of the design procedure of the brace is proposed for application.
This paper proposed a new self-centering brace (SCB), which consists of four post-tensioned (PT) high strength steel strands and energy absorbing steel plate (EASP) clusters. First, analytical equations were derived to describe the working principle of the SCB. Then, to investigate the hysteretic performance of the SCB, four full-size specimens were manufactured and subjected to the same cyclic loading protocol. One additional specimen using only EASP clusters was also tested to highlight the contribution of PT strands. The test parameters varied in the testing process included the thickness of the EASP and the number of EASP in each cluster. Testing results shown that the SCB exhibited nearly flag-shape hysteresis up to expectation, including excellent recentering capability and satisfactory energy dissipating capacity. For all the specimens, the ratio of the recovered deformation is in the range of 89.6% to 92.1%, and the ratio of the height of the hysteresis loop to the yielding force is in the range of 0.47 to 0.77. Finally, in order to further understand the mechanism of the SCB and provide additional information to the testing results, the high-fidelity finite element (FE) models were established and the numerical results were compared against the experimental data. Good agreement between the experimental, numerical, and analytical results was observed, and the maximum difference is less than 12%. Parametric analysis was also carried out based on the validated FE model to evaluate the effect of some key parameters on the cyclic behavior of the SCB.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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