Low-damage steel structures for enhanced life-cycle seismic performance

Swiss steelweek+ 2021
During an earthquake, steel frame buildings with bracings are prone to high absolute floor acceleration demands, thereby causing damage to acceleration-sensitive non-structural elements and building content. Inelastic deformations in steel bracings and/or their end connections often necessitate the use of capacity design rules to meet the life safety requirements established by seismic design standards. This paper presents an alternative steel frame building configuration where energy dissipation is mostly achieved through friction dampers acting as dissipative connectors between the floor diaphragms and the steel frame(s) with bracings. The dampers consist of friction pads made from composite materials which are not susceptible to galvanic corrosion. Physical experiments suggest that the friction pads are effective in dissipating the seismic energy through friction. Nonlinear response history analyses of a prototype 6-storey steel frame building featuring friction dampers as dissipative floor connectors demonstrate that a) higher mode effects are mitigated; b) capacity-design in the steel frame(s) with bracings is not imperative to ensure a uniform lateral drift distribution; and c) the seismic response variability in storey-based engineering demand parameters is reduced remarkably compared with that of the conventional counterpart with rigid diaphragms. All-in-all, the alternative building configuration has high potential to minimize earthquake-induced repairs over a building's service life.

Schadensresiliente Stahlkonstruktionen für ein verbessertes seismisches Tragverhalten bei mehreren Erdbeben während der Lebensdauer
Während eines Erdbebens sind Stahlrahmen mit Verbänden anfällig für hohe absolute Gebäudebeschleunigung, wodurch beschleunigungsempfindliche nichttragende Bauteile und Komponenten beschädigt werden. Inelastische Verformungen in den Verbänden und/oder ihren Endverbindungen erfordern die Anwendung von Kapazitätsregeln, um die Anforderungen von Erdbebennormen im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu erfüllen. Diese Arbeit stellt ein alternatives Stahltragwerk vor, bei dem die Energiedissipation hauptsächlich durch Reibungsdämpfer erreicht wird, die als dissipative Verbindungen zwischen den Decken und dem/den Stahlrahmen/n mit Verbänden wirken. Die Dämpfer bestehen aus Reibbelägen in Verbundwerkstoffen, die nicht anfällig für Bimetallkorrosion sind. Versuche deuten darauf hin, dass die Reibungsdämpfer die seismische Energie durch Reibung wirksam dissipieren. Nichtlineare Zeitverlaufsberechnungen eines sechsstöckigen repräsentativen Stahltragwerks mit Reibungsdämpfern als dissipative Deckenanschlüsse zeigen, dass a) Effekte höherer Moden gemildert werden, b) eine Kapazitätsauslegung der Stahlrahmen mit Verbänden nicht zwingend erforderlich ist, um eine über die Höhe gleichmäßig verteilte Stockwerksverschiebung zu gewährleisten, und c) die Streuung stockwerksbezogener, seismischer Bemessungsparameter im Vergleich zu konventionellen, starren Anschlüssen an die Decken erheblich reduziert ist. Im Großen und Ganzen hat der alternative Tragwerkstyp ein hohes Potenzial, erdbebenbedingte Reparaturen über die Lebensdauer eines Gebäudes zu minimieren.