Steel plate shear walls (SPSWs) have been shown to be efficient lateral force-resisting systems, which are increasingly used in new and retrofit construction. These structural systems are designed with either stiffened and stocky or unstiffened and slender web plates based on disparate structural and economical considerations. Based on some limited reported studies, on the other hand, employment of low yield point (LYP) steel infill plates with extremely low yield strength, and high ductility as well as elongation properties is found to facilitate the design and improve the structural behavior and seismic performance of the SPSW systems. On this basis, this paper reports system-level investigations on the seismic response assessment of multi-story SPSW frames under the action of earthquake ground motions. The effectiveness of the strip model in representing the behaviors of SPSWs with different buckling and yielding properties is primarily verified. Subsequently, the structural and seismic performances of several code-designed and retrofitted SPSW frames with conventional and LYP steel infill plates are investigated through detailed modal and nonlinear time-history analyses. Evaluation of various seismic response parameters including drift, acceleration, base shear and moment, column axial load, and web-plate ductility demands, demonstrates the capabilities of SPSW systems in improving the seismic performance of structures and reveals various advantages of use of LYP steel material in seismic design and retrofit of SPSW systems, in particular, application of LYP steel infill plates of double thickness in seismic retrofit of conventional steel and code-designed SPSW frames.
In this paper, the optimum location of the belt truss-outrigger for a combined system of framed tube, shear core and outrigger-belt truss is calculated. The optimum location is determined by maximization of the first natural frequency. The framed tube is modeled using a non-prismatic cantilever beam with hollow box cross section. The governing differential equation is solved using the weak form integral equations and the natural frequencies of the structure are calculated. The graphs are introduced for quick calculation of the first natural frequency. The location of the belt truss-outrigger that maximizes the first natural frequency of the structure is introduced as an optimum location. The structure is modeled using SAP-2000 finite elements software. In the modelling, the location of the belt truss-outrigger is changed along the height of the structure. With various locations of the outrigger, the lateral deflection of the all stories and axial force in the columns of the outer tube are calculated. The analysis is repeated by locating the outrigger-belt truss at the optimum location. The analysis results are compared and effect of the optimum location on the lateral deflection and the shear lag phenomena are investigated.
Under strong ground motion, pounding can be caused because of the different dynamic properties between two adjacent buildings. Using different structural systems in two adjacent structures makes a difference in the lateral stiffness and thus changes the pounding force between them. In this paper, the effect of the structural system of adjacent buildings on the amount of force applied by pounding effects has been investigated. Moment resisting frame systems (MRFs), lateral X-bracing system (LBS), shear wall system (SWS) and dual system (DS) have been investigated. Four different cases has been modelled using finite element (FE) method. The number of stories of the two adjacent buildings is different in each case: case 1 with 6 and 4 stories, case 2 with 9 and 6 stories, case 3 with 15 and 6 stories and case 4 with 10 and 10 stories. The structures have been modelled three-dimensionally. Non-linear time history analysis has been done on the structures using the finite element software SAP2000. In order to model pounding effects, the non-linear gap elements have been used.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.04a
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pp.241-244
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2008
In general, RC flat plate frames have been used as a gravity load resisting system(GLRS) in building. This system should be constructed with lateral force resisting system(LFRS) such as shear walls and brace frames. When lateral loads such as earthquakes occur, LFRS undergo displacement by which connected gravity systems experience lateral displacement. Thus, flat plate system designed as GLRS should be predict unbalanced moments and punching failure due to lateral deformation. This study developed an analytical mode for predicting nonlinear behavior of RC slab column connection for the seismic performance evaluation of RC flat plate frames. For verifying the analytical model, the test results of two flat plate specimens having two continous spans with the difference gravity shear ratio($V_g/{\phi}V_c$) were compared with the results of analysis. The developed model can predict the failure modes and punching failures.
In 2017, an intraplate earthquake of Mw 7.1 occurred 120 km from Mexico City (CDMX). Most collapsed structural buildings stroked by the earthquake were flat slab systems joined to reinforced concrete (RC) columns, unreinforced masonry, confined masonry, and dual systems. This article presents the simulated response of an actual six-story RC frame building with masonry infill walls that did not collapse during the 2017 earthquake. It has a structural system similar to that of many of the collapsed buildings and is located in a high seismic amplification zone. Five 3D numerical models were used in the study to model the seismic response of the building. The building dynamic properties were identified using an ambient vibration test (AVT), enabling validation of the building's finite element models. Several assumptions were made to calibrate the numerical model to the properties identified from the AVT, such as the presence of adjacent buildings, variations in masonry properties, soil-foundation-structure interaction, and the contribution of non-structural elements. The results showed that the infill masonry wall would act as a compression strut and crack along the transverse direction because the shear stresses in the original model (0.85 MPa) exceeded the shear strength (0.38 MPa). In compression, the strut presents lower stresses (3.42 MPa) well below its capacity (6.8 MPa). Although the non-structural elements were not considered to be part of the lateral resistant system, the results showed that these elements could contribute by resisting part of the base shear force, reaching a force of 82 kN.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.5
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pp.277-286
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2022
The elastic and inelastic responses obtained from the experimental and analytical results of two RC building structures under the service level earthquake (SLE) and maximum considered earthquake (MCE) in Korea were used to weinvestigate the characteristics of the mechanisms resisting shear and torsional behavior in torsionally unbalanced structures. Equations representing the interactive effect of translational drift and torsional deformation on the shear force and torsional moment were proposed. Because there is no correlation in the behavior between elastic and inelastic forces and strains, the incremental shear forces and incremental torsional moments were analyzed in terms of their corresponding incremental drifts and incremental torsional deformations with respect to the yield, unloading, and reloading phases around the maximum edge-frame drift. In the elastic combination of the two dominant modes, the translational drift mainly contributes to the shear force, whereas the torsional deformation contributes significantly to the overall torsional moment. However, this phenomenon is mostly altered in the inelastic response such that the incremental translational drift contributes to both the incremental shear forces and incremental torsional moments. In addition, the given equation is used to account for all phenomena, such as the reduction in torsional eccentricity, degradation of torsional stiffness, and apparent energy generation in an inelastic response.
Farzampour, Alireza;Eatherton, Matthew R.;Mansouri, Iman;Hu, Jong Wan
Smart Structures and Systems
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v.23
no.4
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pp.329-335
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2019
Structural fuses are made up from oriented steel plates to be used to resist seismic force with shear loading resistance capabilities. The damage and excessive inelastic deformations are concentrated in structural fuses to avoid any issues for the rest of the surrounding elements. Recently developed fuse plates are designed with engineered cutouts leaving flexural or shear links with controlled yielding features. A promising type of link is proposed to align better bending strength along the length of the link with the demand moment diagram is a butterfly-shaped link. Previously, the design methodologies are purely based on the flexural stresses, or shear stresses only, which overestimate the dampers capability for resisting against the applied loadings. This study is specifically focused on the optimized design methodologies for commonly used butterfly-shaped dampers. Numerous studies have shown that the stresses are not uniformly distributed along the length of the dampers; hence, the design methodology and the effective implementation of the steel need revisions and improvements. In this study, the effect of shear and flexural stresses on the behavior of butterfly-shaped links are computationally investigated. The mathematical models based on von-Mises yielding criteria are initially developed and the optimized design methodology is proposed based on the yielding criterion. The optimized design is refined and investigated with the aid of computational investigations in the next step. The proposed design methodology meets the needs of optimized design concepts for butterfly-shaped dampers considering the uniform stress distribution and efficient use of steel.
Current seismic design code is based on the assumption that the designed structures would be behaved inelastically during a severe earthquake ground motion. For this reason, seismic design forces calculated by seismic codes are much lower than the forces generated by design earthquakes which makes structures responding elastically. Present procedures for calculating seismic design forces are based on the use of elastic spectra reduced by a strength reduction factors known as "response modificaion factor". Because these factors were determined empirically, it is difficult to know how much inelastic behaviors of the structures exhibit. In this study, lateral strength required to maintain target ductility ratio was first calculated from nonlinear dynamic analysis of the single degree of freedom system. At the following step, base shear foeces specified in seismic design code compare with above results. If the base shear force required to maintain target ductility ratio was higher than the code specified one, the lack of required strength should be filled by overstrength and/or redundancy. Therefore, overstrength of moment resisting frame structure will be estimated from the results of push-over analysis.
Soil nailing is ground reinforcement method using the shear strength of ground and the pullout shear resistance force of nail. It is mainly used for reinforcement of cut slopes, earth retaining structures and retaining walls, etc. It may be designed considering the pullout resistance of nail in the case of earth retaining structure and retaining wall, but it should be designed considering not only pullout resistance but also shear and bending resistance in the case of slope. However, conservative designs considering only pullout resistance are being done and most of the studies are about increasing pullout resistance by improving of material, shape and construction method of nail. Actually, Shear bending deformations occur centering on the active surface in ground reinforced with the nail. The grout with relatively low strength is destroyed and separated from the reinforcing material. As a result, the ground is collapsed while reducing the frictional resistance rapidly. Therefore, it is necessary to develop the method to increase the shear resistance while preventing separation of nail and grout body. In this study, an experimental study was conducted on new soil nailing method which can increase shear resistance by forming protrusions through pressurized grouting after installing a packer on the outside of deformed bar.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.6
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pp.283-291
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2018
This study intends to develop an analytical model of unreinforced masonry(URM) walls for the nonlinear static analysis which has been generally used to evaluate the seismic performance of a building employing URM walls as seismic force-resisting members. The developed model consists of fiber elements used to capture the flexural behavior of an URM wall and a shear spring element implemented to predict its shear response. This paper first explains the configuration of the proposed model and describes how to determine the modeling parameters of fiber and shear spring elements based on the stress-strain curves obtained from existing experimental results of masonry prisms. The proposed model is then verified throughout the comparison of its nonlinear static analysis results with the experimental results of URM walls carried out by other researchers. The proposed model well captures the maximum strength, the initial stiffness, and their resulting load - displacement curves of the URM walls with reasonable resolution. Also, it is demonstrated that the analysis model is capable of predicting the failure modes of the URM walls.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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