Seismic design procedure for steel moment resisting frames with viscous dampers

Abstract

Modern technologies for seismic hazard mitigation in building structures, such as passive dampers, make it possible to design economically viable buildings that (a) experience significantly less damage than conventional buildings designed according to seismic codes; and (b) return to service within an acceptable short, if not immediate, time after a strong earthquake. The latter is of significant importance as recent strong earthquakes resulted in high socio-economic losses due to long disruption of the use or occupation of a large number of buildings. Among the different types of passive dampers available in the market, fluid viscous dampers are known for their major advantages including large capacity of energy dissipation and peak forces that are out of phase with the peak drifts of elastic or mildly inelastic structures.Steel moment-resisting frames (MRFs) with viscous dampers are prone to plastic mechanisms that involve hinges in columns because of the large column axial forces due to the large damper forces and have less collapse resistance than conventional steel MRFs designed for the same drift performance under the design earthquake. In this research, a seismic design procedure for steel MRFs with viscous dampers within the framework of Eurocode 8 is developed, addressing the issues of (a) the satisfaction of a sway plastic mechanism with plastic hinges in beams and column bases and (b) collapse resistance of steel MRFs with viscous dampers at least equal with that of conventional steel MRFs. A conservative design rule is proposed for the capacity design of the columns in the force path of viscous dampers. More specifically, the column axial force used to perform the capacity design is the envelope of the axial force from the peak drift state and the axial force from the peak velocity state. The capacity design rule becomes stricter for buildings with more than 10 storeys to address that linear elastic analysis methods for structures with dampers underestimate the peak damper forces in the lower storeys of yielding tall steel MRFs. Appropriate limit values for the storey drift sensitivity coefficient θ are recommended to guarantee for steel MRFs with viscous dampers collapse resistance at least equal with that of conventional steel MRFs.

Σε αυτή τη διατριβή, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία αντισεισμικού σχεδιασμού για πλαισιακούς φορείς από χάλυβα με ιξώδεις αποσβεστήρες μέσα στο πλαίσιο του Ευρωκώδικα 8, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις α) για μηχανισμό πλευρικής μετατόπισης με πλαστικές αρθρώσεις στις δοκούς και στις βάσεις των υποστυλωμάτων στη βάση του φορέα και β) για αντοχή σε κατάρρευση των πλαισιακών φορέων με ιξώδεις αποσβεστήρες τουλάχιστον ίση με αυτή των συμβατικών πλαισιακών φορέων. Προτείνεται ένας συντηρητικός κανόνας για τον ικανοτικό σχεδιασμό των υποστυλωμάτων. Συγκεκριμένα η αξονική δύναμη που χρησιμοποιείται στον ικανοτικό σχεδιασμό των υποστυλωμάτων υπολογίζεται ως η περιβάλλουσα της αξονικής δύναμης από την κατάσταση μέγιστης μετατόπισης και της αξονικής δύναμης από την κατάσταση μέγιστης ταχύτητας επί έναν συντελεστή. Ο κανόνας αυτός γίνεται πιο αυστηρός για κτίρια με περισσότερους από 10 ορόφους ώστε να επιληφθεί του θέματος ότι οι διαθέσιμες μέθοδοι ανάλυσης για κατασκευές με αποσβεστήρες υποεκτιμούν τις μέγιστες δυνάμεις των αποσβεστήρων στους χαμηλότερους ορόφους των ψηλών πλασιακών φορέων. Κατάλληλες τιμές του συντελεστή ευαισθησίας σχετικής μετακίνησης ορόφου (θ) προτείνονται, ώστε να εξασφαλίζεται αντοχή σε κατάρρευση των πλαισιακών φορέων με ιξώδεις αποσβεστήρες τουλάχιστον ίση με αυτή των συμβατικών πλαισιακών φορέων.