Seismic performance evaluation of semi-rigid composite cold-formed steel-rubberised concrete buildings

Abstract

Over the past few years, cold-formed steel (CFS) structural elements have been extensively used as a cost-effective and fast way of achieving sustainable buildings thanks to their low embodied carbon. Besides, the increased demand for CFS systems in multi-story construction has led to the development of competent CFS lateral force-resisting systems with moment-resisting connections. These rigid connections are implemented to compensate for the shortcomings of traditional CFS framing systems that use simply supported floor-to-wall connections and hence cannot adequately dissipate large moments present in multi-story structures. With this in mind, this study focuses on the seismic performance evaluation of rubberised concrete-filled cold-formed steel (CFS-RuC) tube frames equipped with a recently developed semi-rigid moment-resisting connection. A numerical study is carried out in ABAQUS to examine the effect of different dimensions for CFS-RuC sections and side plates on the behavior of the semi-rigid connection adopted herein. A validation study of the semi-rigid connection is conducted in SAP2000 to come up with a practical plastic hinge model to use at frame-level analysis. Design of case studies of 2, 5, and 8 story- CFS-RuC buildings is accomplished per the TBEC 2018 and AISI-S100-16 codes. Seismic performance evaluation of the case study buildings at the performance point is investigated through nonlinear static pushover analyses. Alternatively, the seismic behavior of CFS-RuC buildings is probabilistically assessed through fragility curves generated by a fragility tool, SPO2FRAG. Results indicate that these new composite systems possess higher stiffnesses and adequate energy absorption capability in comparison to their bare counterparts. They also displayed a ductile deformation which enabled the fulfillment of the code-prescribed performance level of life safety.

Son yıllarda, soğuk şekillendirilmiş çelik (CFS) yapı elemanları, düşük karbon içeriği sayesinde sürdürülebilir binaları elde etmenin maliyet etkili ve hızlı bir yolu olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ayrıca, çok katlı yapı sektöründeki CFS sistemlerine yönelik artan talep, moment aktaran birleşimlere sahip yetkin yanal kuvvete dayanıklı CFS sistemlerin geliştirilmesine yol açmıştır. Bu moment aktaran birleşimler, basit mesnetli döşemeden duvara birleşimleri kullanan ve dolayısıyla çok katlı yapılarda bulunan büyük momentleri yeterince dağıtamayan geleneksel CFS çerçeveleme sistemlerinin eksikliklerini telafi etmek için uygulanmaktadır. Bunu göz önünde bulundurarak, bu çalışma, yakın zamanda geliştirilen yarı rijit moment aktaran birleşimleri ile donatılmış kauçuklu beton dolgulu soğuk şekillendirilmiş çelik (CFS-RuC) boru çerçevelerin sismik performans değerlendirmesine odaklanmaktadır. Farklı CFS-RuC kesit ve yan plakalar boyutların birleşim davranışı üzerindeki etkisini incelemek için ABAQUS'ta sayısal bir çalışma yapılmıştır. Çerçeve düzeyinde analizde kullanılacak basitleştirilmiş bir plastik mafsal modeli bulmak için SAP2000'de yarı rijit birleşimi bir doğrulama çalışması yapılımıştır. 2, 5 ve 8 katlı CFS-RuC binaların parametrik çalışmalarının tasarımı TBEC 2018 ve AISI-S100-16 yönetmeliklerine uygun olarak tamamlanmıştır. Statik itme analizleri ile performans noktasında örnek olay incelemesi binaların sismik performans değerlendirmesi araştırılmıştır. Alternatif olarak, CFS-RuC binalarının sismik davranışı, bir kırılganlık aracı olan SPO2FRAG uygulama tarafından oluşturulan kırılganlık eğrileri yoluyla olasılıksal olarak değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, bu yeni kompozit sistemlerin, kauçuklu beton dolgusuz soğuk şekillendirilmiş çelik (CFS) versiyonlar ile kıyasladığında daha yüksek sertliklere ve yeterli enerji sünme kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, yönetmelik tarafından belirlenen can güvenliği performans seviyesinin karşılanmasını mümkün kılan sünek bir deformasyon sergilemişlerdir.