The primary objectives of this research are to investigate the energy factor response of steel moment resisting frame (MRF) systems equipped with fuses subject to ground motions and to develop an energy-based evaluation approach for evaluating the damage-control behavior of the system. First, the energy factor of steel MRF systems with fuses below the resilience threshold is derived utilizing the energy balance equation considering bilinear oscillators with significant post-yielding stiffness ratio, and the effect of structural nonlinearity on the energy factor is investigated by conducting a parametric study covering a wide range of parameters. A practical transformation approach is also proposed to associate the energy factor of steel MRF systems with fuses with classic design spectra based on elasto-plastic systems. Then, the energy balance is extended to structural systems, and an energy-based procedure for damage-control evaluation is proposed and a damage-control index is also derived. The approach is then applied to two types of steel MRF systems with fuses to explore the applicability for quantifying the damage-control behavior. The rationality of the proposed approach and the accuracy for identifying the damage-control behavior are demonstrated by nonlinear static analyses and incremental dynamic analyses utilizing prototype structures.
An experimental investigation is conducted here to study the effects of applying frictional sliding fuses (FSF) in concrete infilled steel frames. Firstly, the influences of some parameters on the behavior of the sliding fuse are studied: Methods of adjusting the FSF for a certain sliding strength are explained and influences of time duration, welding and corrosion are investigated as well. Based on the results, time duration does not significantly affect the FSF, however influences of welding and corrosion of the constitutive plates are substantial. Then, the results of testing two 1/3 scale single-storey single-bay concrete infilled steel frames having FSF are presented. The specimens were similar, except for different regulations of their fuses, tested by displacement controlled cyclic loading. The results demonstrate that applying FSF improves infill behaviors in both perpendicular directions. The infilled frames with FSF have more appropriate hysteresis cycles, higher ductility, much lower deteriorations in strength and stiffness in comparison with regular ones. Consequently, the infills, provided with FSF, can be regarded as an engineered element, however, special consideration should be taken into the affecting parameters of their fuses.
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.
A novel all-steel miniature bar-type structural fuse (MBSF) with cold formed bolted connections is developed in this study, which consists of a central energy dissipation core cut from a smooth round bar, an external confining tube and nuts. Three types of cross sections for the central energy dissipation core, i.e., triple-cut, double-cut and single-cut cross sections, were studied. Totally 18 specimens were axially tested under either symmetric or asymmetric cyclic loading histories, where the parameters such as cut cross sectional area ratio, length of the yielding portion and cross sectional type were investigated. Numerical simulation of 2 representative specimens were also conducted. An analytical model to evaluate the bending failure at the elastic portion was proposed, and a design method to avoid this failure mode was also presented. The experimental results show that the proposed MBSFs exhibit satisfactory hysteretic performance under both the two cyclic loading histories. Average strain values of 8% and 4% are found to be respectively suitable for designing the new MBSFs as the ultimate strain under the symmetric and asymmetric cyclic loadings.
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
/
pp.589-605
/
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.
The use of steel pipe dampers (SPD) as fuses or interchangeable elements in the steel moment-resisting frames (MRF) is one of the newest methods for improving seismic performance. In the present study, the performance of steel pipe dampers in MRF has been investigated. Evaluation of MRF with and without SPD models were performed using the finite element method by ABAQUS. For validation, an MRF and MRF with steel pipe dampers were modeled that had been experimentally tested and reported in previous experimental research and a good agreement was observed. The behavior of these dampers in frames of 3, 6, and 9 stories was studied by modeling the damper directly. Nonlinear time history dynamic analysis was used. It was observed that by increasing the number of stories in the buildings, steel pipe dampers should be used to perform properly against earthquakes. The installation of steel pipe dampers in steel moment-resisting frames shows that the drift ratio between the floors is reduced and the seismic performance of these frames is improved.
In this research, an earthquake-resistant structural system consisting of a pin-connected steel frame and a bracing with metallic fuses is proposed. Contrary to the conventional braced frames, the main structural elements are deemed to remain elastic under earthquakes and the seismic energy is efficiently dissipated by the damper-braces with an amplification mechanism. The superiority of the proposed damping system lies in easy manufacture, high yield capacity and energy dissipation, and an effortless replacement of damaged fuses after earthquake events. Furthermore, the stiffness and the yield capacity are almost decoupled in the proposed damper-brace which makes it highly versatile for performance-based seismic design compared to most other dampers. A special attention is paid to derive the theoretical formulation for nonlinear behavior of the proposed damper-brace, which is verified using analytical results. Next, a direct displacement-based design procedure is provided for the proposed system and an example structure is designed and analyzed thoroughly to check its seismic performance. The results show that the proposed system designed with the provided procedure satisfies the given performance objective and can be used for developing highly efficient low-damage structures.
In this study a new hysteretic damper for seismic retrofit of soft-first story structures is proposed and its seismic retrofit effect is evaluated. The damper consists of one steel column member and two flexural fuses at both ends made of steel plates with reduced section, which can be placed right beside existing columns in order to minimize interference with passengers and automobiles in the installed bays. The relative displacement between the stories forms flexural plastic hinges at the fuses and dissipate seismic energy. The theoretical formulation and the design procedure based on plastic analysis is provided for the proposed damper, and the results are compared with a detailed finite-element (FE) model. In order to apply the damper in structural analysis, a macromodel of the damper is also developed and calibrated by the derived theoretical formulas. The results are compared with the detailed FE analysis, and the efficiency of the damper is further validated by the seismic retrofit of a case study structure and assessing its seismic performance before and after the retrofit. The results show that the proposed hysteretic damper can be used effectively in reducing damage to soft-first story structures.
A low damage self-centering braced frame equipped with post-tensioning strands is capable of directing damage to replaceable butterfly-shaped fuses. This paper investigates the seismic performance of rocking braced frame under near-field pulse-like ground motions compared to far-field records. A non-linear time history analysis is performed for twelve self-centering archetypes. A sensitivity analysis is carried out to examine the influences of ground motion types and modeling parameters. Findings represent the proper efficiency of the self-centering system under both far-field and near-field pulse-like ground motions.
The maximum ductility and cumulative ductility of connection joints of Buckling-Restrained Braced Frames (BRBF) are critical to the structural overall performance, which should be matched with the BRB ductility. The two-story and one-span BRBF with a one-third scale was tested under cyclic quasi-static loading, and the top-flange beam splice (TFBS) rotational connections were proposed and adopted in BRBF. The deformation capacity of TFBS connections was observed during the test, and the relationship between structural global ductility and local connection ductility was studied. The rotational capacity of the beam-column connections and the stability performance of the BRBs are highly relevant to the structural overall performance. The hysteretic curves of BRBF are stable and full under large displacement demand imposed up to 2% story drift, and energy is dissipated as the large plastic deformation developed in the structural components. The BRBs acted as fuses and yielded first, and the cumulative plastic ductility (CPD) of BRBs is 972.6 of the second floor and 439.7 of the first floor, indicating the excellent energy dissipation capacity of BRBs. Structural members with good local ductility ensure the large global ductility of BRBF. The ductile capacity and hysteretic behavior of BRBF with TFBS connections were compared with those of BRBF with Reduced Beam Section (RBS) connections in terms of the experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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