Soleimani-Babakamali, Mohammad Hesam;Nasrollahzadeh, Kourosh;Moghadam, Amin
Steel and Composite Structures
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제42권1호
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pp.59-74
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2022
This study introduces a general reliability-based, performance-based design framework to design frames regarding their uncertainties and user-defined design goals. The Iterative-R method extracted from the main framework can designate a proper R (i.e., response modification factor) satisfying the design goal regarding target reliability index and pre-defined probability of collapse. The proposed methodology is based on FEMA P-695 and can be used for all systems that FEMA P-695 applies. To exemplify the method, multiple three-dimensional, four-story steel special moment-resisting frames are considered. Closed-form relationships are fitted between frames' responses and the modeling parameters. Those fits are used to construct limit state functions to apply reliability analysis methods for design safety assessment and the selection of proper R. The frameworks' unique feature is to consider arbitrarily defined probability density functions of frames' modeling parameters with an insignificant analysis burden. This characteristic enables the alteration in those parameters' distributions to meet the design goal. Furthermore, with sensitivity analysis, the most impactful parameters are identifiable for possible improvements to meet the design goal. In the studied examples, it is revealed that a proper R for frames with different levels of uncertainties could be significantly different from suggested values in design codes, alarming the importance of considering the stochastic behavior of elements' nonlinear behavior.
Different types of moment resisting connections are commonly used to transfer the induced seismic moments between frame elements in an earthquake resisting structure. The local connection behavior may drastically affect the global seismic response of the structure. In this study, the finite element and experimental seismic investigations are implemented on two frequently used connection type to evaluate the local behavior and to reveal the failure modes. An alternative connection type is then proposed to eliminate the unfavorable brittle fracture modes resulted from probable poor welding quality. This will develop a reliable predefined ductile plastic mechanism forming away from the critical locations. Employing this technique, the structural reliability of the moment resisting connections shall be improved by achieving a controllable energy dissipation source in form of yielding of the cover plates.
In this article the seismic demand and performance of two recent braced steel frames named steel moment frames with the elliptic bracing (ELBRFs) are assessed through a laboratory program and numerical analyses of FEM. Here, one of the specimens is without connecting bracket from the corner of the frame to the elliptic brace (ELBRF-E), while the other is with the connecting brackets (ELBRF-B). In both the elliptic braced moment resisting frames (ELBRFs), in addition to not having any opening space problem in the bracing systems when installed in the surrounding frames, they improve structure's behavior. The experimental test is run on ½ scale single-story single-bay ELBRF specimens under cyclic quasi-static loading and compared with X-bracing and SMRF systems in one story base model. This system is of appropriate stiffness and a high ductility, with an increased response modification factor. Moreover, its energy dissipation is high. In the ELBRF bracing systems, there exists a great interval between relative deformation at the yield point and maximum relative deformation after entering the plastic region. In other words, the distance from the first plastic hinge to the collapse of the structure is fairly large. The experimental outcomes here, are in good agreement with the theoretical predictions.
The widespread damage to steel Moment Resisting Frames (MRFs) in past major earthquakes have underscored the need to understand the nonlinear inelastic behaviour of such systems. To assess the seismic performance of steel MRF, it is essential to model the nonlinear force-deformation behaviour of beam to column joints. To determine the extent of inelasticity in a beam to column joint, nonlinear finite element analysis is generally carried out, which is computationally involved and demanding. In order to obviate the need of such elaborate analyses, a simplistic method to predict the force-deformation behaviour is required. In this study, a simple, mechanics driven, hand calculation method is proposed to obtain the forcedeformation behaviour of strong axis beam to column moment joints. The force-deformation behaviour for twenty-five interior and exterior beam to column joints, having column to beam strength ratios ranging from 1.2 to 10.99 and 2.4 to 22, respectively, have been obtained. The force-deformation behaviour predicted using the proposed method is compared with the results of finite element analyses. The results show that the proposed method predicts the force-deformation behaviour fairly accurately, with much lesser computational effort. Further the proposed method has been used to conduct Nonlinear Dynamic Time History Analyses of two benchmark frames; close correspondence of results obtained with published results establishes the usefulness and computational accuracy of the method.
Seismic fragility analysis is a probabilistic decision-making framework which is widely implemented for evaluating vulnerability of a building under earthquake loading. It requires ingredient named probabilistic model and commonly developed using statistics requiring collecting data in large quantities. Preparation of such a data-base is often costly and time-consuming. Therefore, in this paper, by developing generic seismic drift demand model for regular-multi-story steel moment resisting frames is tried to present a novel application of the probabilistic decision-making analysis to practical purposes. To this end, a demand model which is a linear function of intensity measure in logarithmic space is developed to predict overall maximum inter-story drift. Next, the model is coupled with a set of regression-based equations which are capable of directly estimating unknown statistical characteristics of the model parameters.To explicitly address uncertainties arise from randomness and lack of knowledge, the Bayesian regression inference is employed, when these relations are developed. The developed demand model is then employed in a Seismic Fragility Analysis (SFA) for two designed building. The accuracy of the results is also assessed by comparison with the results directly obtained from Incremental Dynamic analysis.
Building-level response to post-earthquake fire hazards in steel buildings has been assessed using primarily two-dimensional analyses of the lateral force resisting system. This approach may not adequately consider potential vulnerabilities in the gravity framing system. For this reason, three-dimensional (3D) finite element models of a 10-story case study building with perimeter moment resisting frames were developed to analyze post-earthquake fire events and better understand building response. Earthquakes are simulated using ground motion time histories, while Eurocode parametric time-temperature curves are used to represent compartment fires. Incremental dynamic analysis and incremental fire analysis procedures capture a range of hazard intensities. Findings show that the structural response due to earthquake and fire hazards are somewhat decoupled from one another. Regardless of the level of plastic hinging present in the moment framing system due to a seismic event, gravity column failure is the initiating failure mode in a fire event.
Retrofitting in reinforced concrete structures has been one of the most important research topics in recent years. There are several methods for retrofitting RC moment-resisting frames. the most important of which is the use of steel bracing systems with yielding dampers. With a proper design of yielding dampers, the stiffness of RC frame systems can be increased to the required extent so that the ductility of the structure is not significantly reduced. In the present study, two experimental samples of a one-third scale RC moment-resisting frame were loaded in the laboratory. In these experiments, the retrofitting effect of RC frames was investigated using Non-uniform Slit Dampers (NSDs). Based on the experimental results of the samples, seismic parameters, i.e., stiffness, ductility, ultimate strength, strength reduction coefficient, and energy dissipation capacity, were compared. The results demonstrated that the retrofitted frame had very significant growth in terms of stiffness, ultimate strength, and energy dissipation capacity. Although the strength reduction factor and ductility decreased in the retrofitted sample. In general, the behavior of the frame with NSDs was evaluated better than the bare frame.
A simplified model which incorporates the moment-axial tension interaction of the double-span beams in a column-removed steel frame is presented in this paper. To this end, material and geometric nonlinear parametric finite element analyses were conducted for the double-span beams by changing the beam span to depth ratio and the beam size within some practical ranges. The beam span to depth ratio was shown to be the most influential factor governing the catenary action of the double-span beams. Based on the parametric analysis results, a simplified piecewise linear model which can reasonably describe the vertical, resisting force versus the beam chord rotation relationship was proposed. It was also shown that the proposed method can readily be used for the energy-based progressive collapse analysis of steel moment frames.
Dougka, Georgia;Dimakogianni, Danai;Vayas, Ioannis
Earthquakes and Structures
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제6권5호
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pp.561-580
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2014
After strong earthquakes conventional frames used worldwide in multi - story steel buildings (e.g. moment resisting frames) are not well positioned according to reparability. Two innovative systems for seismic resistant steel frames incorporated with dissipative fuses were developed within the European Research Program "FUSEIS" (Vayas et al. 2013). The first, FUSEIS1, resembles a vertical Vierendeel beam and is composed of two closely spaced strong columns rigidly connected to multiple beams. In the second system, FUSEIS2, a discontinuity is introduced in the composite beams of a moment resisting frame and the dissipative devices are steel plates connecting the two parts. The FUSEIS system is able to dissipate energy by means of inelastic deformations in the fuses and combines ductility and architectural transparency with stiffness. In case of strong earthquakes damage concentrates only in the fuses which behave as self-centering systems able to return the structure to its initial undeformed shape. Repair work after such an event is limited only to replacing the fuses. Experimental and numerical investigations were performed to study the response of the fuses system. Code relevant design rules for the seismic design of frames with dissipative FUSEIS and practical recommendations on the selection of the appropriate fuses as a function of the most important parameters and member verifications have been formulated and are included in a Design Guide. This article presents the design and performance of building frames with FUSEIS 1-1 based on models calibrated on the experimental results.
Llanes-Tizoc, Mario D.;Reyes-Salazar, Alfredo;Ruiz, Sonia E.;Bojorquez, Eden;Bojorquez, Juan;Leal Graciano, Jesus M.
Earthquakes and Structures
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제16권4호
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pp.469-485
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2019
A numerical investigation regarding local (${\mu}_L$) and story (${\mu}_S$) ductility demand evaluation of steel buildings with perimeter moment resisting frames (PMRF) and interior gravity frames (IGF), is conducted in this study. The interior connections are modeled, firstly as perfectly pinned (PP), and then as semi-rigid (SR). Three models used in the SAC steel project, representing steel buildings of low-, mid-, and high-rise, are considered. The story ductility reduction factor ($R_{{\mu}S}$) as well as the ratio ($Q_{GL}$) of $R_{{\mu}S}$ to ${\mu}_L$ are calculated. ${\mu}_L$ and ${\mu}_S$, and consequently structural damage, at the PMRF are significant reduced when the usually neglected effect of SR connections is considered; average reductions larger than 40% are observed implying that the behavior of the models with SR connections is superior and that the ductility detailing of the PMRF doesn't need to be so stringent when SR connections are considered. $R_{{\mu}S}$ is approximately constant through height for low-rise buildings, but for the others it tends to increase with the story number contradicting the same proportion reduction assumed in the Equivalent Static Lateral Method (ESLM). It is implicitly assumed in IBC Code that the overall ductility reduction factor for ductile moment resisting frames is about 4; the results of this study show that this value is non-conservative for low-rise buildings but conservative for mid- and high-rise buildings implying that the ESLM fails evaluating the inelastic interstory demands. If local ductility capacity is stated as the basis for design, a value of 0.4 for $Q_{GL}$ seems to be reasonable for low- and medium-rise buildings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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