Steel Truss Moment Frames with Seismic Energy Dissipation Elements and Self-centering Capacity

«L'application des éléments de dissipation d'énergie combinée au mécanisme d'auto-centrage dans les nouveaux systèmes structurels a fait l'objet de nombreuses études réalisées au cours des trois dernières décennies pour améliorer la résistance sismique et la résilience des structures et développer des systèmes durables à utiliser dans les zones vulnérables à des tremblements de terre intenses et fréquents. Cette recherche a proposé deux types de cadres de moment en treillis parasismique et réparables, notamment 1) des cadres de moment en treillis équipés d’amortisseurs de friction et de tendons en acier (FT-TMF) et 2) un cadre de moment en treillis avec amortisseurs de friction et noyau basculant post-tendu. (RF-TMF). Ces systèmes sont conçus pour subir peu ou pas de dommages et rester opérationnels après un séisme de niveau de conception, nécessitant aucune ou une réparation minimale. Le système FT-TMF est un cadre de moment en treillis en acier avec des amortisseurs de friction installés entre la corde inférieure du cadre et les colonnes adjacentes et une paire de tendons élastiques dans chaque travée qui relient la corde inférieure du cadre aux colonnes. Lors d'un événement sismique, une partie considérable de l'énergie sismique se transforme en chaleur et est dissipée par les amortisseurs à friction tandis que les tendons confèrent au système une capacité d'auto-centrage qui atténue les dérives résiduelles. Des poutres au niveau de support sont installées dans les TMFs à proximité des bases des colonnes pour protéger les colonnes contre les dommages sismiques. Le deuxième système, RF-TMF, est un système hybride composé de deux cadres en treillis équipés d'amortisseurs à friction, avec un rôle et une position similaire à ceux des FT-TMF, et d'un cadre à bascule rigide avec des tendons post-tendus entre les deux qui sont interconnectés via les poutres de liaison. Le noyau basculant supprime l'effet des modes supérieurs lors d'un tremblement de terre et régule le mouvement latéral de l'ensemble du système pour se conformer au modèle de déplacement du premier mode, tandis que les tendons post-tendus installés dessus assurent la stabilité et offrent au système une capacité d'auto-centrage qui réduit les dérives.»

Abstract

«Application of energy dissipation elements combined with self-centering mechanisms, in novel structural systems has been the subject of many studies over the past three decades to improve seismic resistance and resilience of the structures and develop sustainable systems to be utilized in the areas vulnerable to intense and frequent earthquakes. This research proposed two types of earthquakes-resistant and repairable systems based on steel truss moment frames including 1) truss moment frames equipped with friction dampers and steel tendons (FT-TMF) and 2) truss moment frame with friction dampers and post-tensioned rocking core (RF-TMF). These systems are intended to experience no or low damage and remain in service after a design-level seismic event requiring no or minimum repair. The FT-TMF system is a steel truss moment frame with friction dampers installed between the bottom chord of the truss and the adjacent columns at the end panels and a pair of elastic tendons in each span which connects the bottom chord to the columns. During a seismic event, a considerable portion of the seismic energy is transformed into heat and dissipated by the friction dampers while the tensile force developed in the tendons provide the system with self-centering capacity and mitigates the residual drifts. Support-level grade beams are accommodated close the columns’ feet to protect the columns against seismic damage. The second system, RF-TMF is a hybrid system composed of two truss frames equipped with friction dampers, with a similar role and position they have in FT-TMFs, and a post-tensioned rigid rocking core (frame) in between that are interconnected via link beams. The rocking core suppresses the effect of higher modes during an earthquake and regulates the lateral movement of the whole system to conform the first mode displacement pattern, while the post-tensioned tendons, installed through their height, provides the system with stability and self-centering capability that reduces the drifts. A set of repairable moment resisting connection joints with specific details are installed in the joints connecting the link beams and the rocking core, and similarly in the joints connecting the support-level grade beams and the columns in the TMF, to control damage and participate in the energy dissipation process. As a main objective in the proposed systems, the energy absorption provided by the friction devices and elastic tendons, or the post-tensioned rocking core are employed to create a resilient low damage and quickly restorable structural system for application in areas prone to frequent and strong ground motions.»