Lu Deng;Min Zhu;Michael C.H. Yam;Ke Ke;Zhongfa Zhou;Zhonghua Liu
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.5
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pp.589-605
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2023
This paper investigates the ductility demands of steel frames equipped with self-centring fuses under near-fault earthquake motions considering multiple yielding stages. The study is commenced by verifying a trilinear self-centring hysteretic model accounting for multiple yielding stages of steel frames equipped with self-centring fuses. Then, the seismic response of single-degree-of-freedom (SDOF) systems following the validated trilinear self-centring hysteretic law is examined by a parametric study using a near-fault earthquake ground motion database composed of 200 earthquake records as input excitations. Based on a statistical investigation of more than fifty-two (52) million inelastic spectral analyses, the effect of the post-yield stiffness ratios, energy dissipation coefficient and yielding displacement ratio on the mean ductility demand of the system is examined in detail. The analysis results indicate that the increase of post-yield stiffness ratios, energy dissipation coefficient and yielding displacement ratio reduces the ductility demands of the self-centring oscillators responding in multiple yielding stages. A set of empirical expressions for quantifying the ductility demands of trilinear self-centring hysteretic oscillators are developed using nonlinear regression analysis of the analysis result database. The proposed regression model may offer a practical tool for designers to estimate the ductility demand of a low-to-medium rise self-centring steel frame equipped with self-centring fuses progressing in the ultimate stage under near-fault earthquake motions in design and evaluation.
Golzar, Farzin G.;Rodgers, Geoffrey W.;Chase, J. Geoffrey
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.6
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pp.701-709
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2017
Seismic dissipation devices can play a crucial role in mitigating earthquake damages, loss of life and post-event repair and downtime costs. This research investigates the use of ring springs with high-force-to-volume (HF2V) dissipaters to create damage-free, recentring connections and structures. HF2V devices are passive rate-dependent extrusion-based devices with high energy absorption characteristics. Ring springs are passive energy dissipation devices with high self-centring capability to reduce the residual displacements. Dynamic behaviour of a system with nonlinear structural stiffness and supplemental hybrid damping via HF2V devices and ring spring dampers is used to investigate the design space and potential. HF2V devices are modelled with design forces equal to 5% and 10% of seismic weight and ring springs are modelled with loading stiffness values of 20% and 40% of initial structural stiffness and respective unloading stiffness of 7% and 14% of structural stiffness (equivalent to 35% of their loading stiffness). Using a suite of 20 design level earthquake ground motions, nonlinear response spectra for 8 different configurations are generated. Results show up to 50% reduction in peak displacements and greater than 80% reduction in residual displacements of augmented structure compared to the baseline structure. These gains come at a cost of a significant rise in the base shear values up to 200% mainly as a result of the force contributed by the supplemental devices.
Post-tensioned precast segmental bridge columns have shown high level of strength and ductility, and low residual displacement, which makes them suffer minor damage after earthquake loading; however, there is still lack of confidence on their lateral response against severe seismic loading due in part to their low energy dissipation capacity. This study investigates the influence of major design factors such as post-tensioning force level, strands position, columns aspect ratio, steel jacket and mild steel ratio on seismic performance of self-centring segmental bridge columns in terms of lateral strength, residual displacement and lateral peak displacement. Seismic analyses show that increasing the continuous mild steel ratio improves the lateral peak displacement of the self-centring columns at different levels of post-tensioning (PT) forces. Such an increase in steel ratio reduces the residual drift in segmental columns with higher aspect ratio more considerably. Suggestions are proposed for the design of self-centring segmental columns with various aspect ratios at different target drifts.
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.
In conventional seismic design, structures are assumed to be fixed at the base. To reduce the impact of earthquake loading, while at the same time providing an economically feasible structure, minor damage is tolerated in the form of controlled plastic hinging at predefined locations in the structure. Uplift is traditionally not permitted because of concerns that it would lead to collapse. However, observations of damage to structures that have been through major earthquakes reveal that partial and temporary uplift of structures can be beneficial in many cases. Allowing a structure to move as a rigid body is in fact one way to limit activated seismic forces that could lead to severe inelastic deformations. To further reduce the induced seismic energy, slip-friction connectors could be installed to act both as hold-downs resisting overturning and as contributors to structural damping. This paper reviews recent research on the concept, with a focus on timber shear walls. A novel approach used to achieve the desired sliding threshold in the slip-friction connectors is described. The wall uplifts when this threshold is reached, thereby imparting ductility to the structure. To resist base shear an innovative shear key was developed. Recent research confirms that the proposed system of timber wall, shear key, and slip-friction connectors, are feasible as a ductile and low-damage structural solution. Additional numerical studies explore the interaction between vertical load and slip-friction connector strength, and how this influences both the energy dissipation and self-centring capabilities of the rocking structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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