Design, fabrication, and cyclic behavior of aluminum alloy core buckling restrained braces (BRBs)

Abstract

Potential use of aluminum alloy core material as an alternative to steel in BRBs was investigated. Effectiveness/superiority of such braces that are designed, produced, and tested for the first time in this work, over the available types of BRBs is evaluated. Numerous tensile test specimens (coupons) were prepared in prototype samples according to the prescribed standards. Material test results contain valuable information for choosing the materials to be used in designing and fabricating the BRBs. A strain-gauge placement configuration was also suggested and tested in order to correctly measure the axial strains in the yielding portions of BRB cores. The reasons of why A5083-H111 aluminum alloy materials were preferred in the fabrication of BRB-AC1 and BRB-AC3 specimens were given in detail. Fabrication steps of aluminum alloy BRBs, welding procedures followed, assumed cyclic loading test protocol, instrumentation and data acquisition system    used in the tests were described in the scope of this study. Experimentally obtained force-displacement hysteretic curves, tension and compression capacities, dissipated cumulative energies , cumulative inelastic displacements , and effective damping ratios  were calculated and compared. The requirement indicating that tests must involve the highest compression adjustment factor , ensuring the symmetrical hysteretic curves, was fulfilled. It is concluded that aluminum alloy BRBs (BRB-AC3) with weld-free end connections have superior behavioral values when compared to aluminum alloy BRBs with welded end connections (BRB-AC1).

Keywords

• Aluminum alloy
• Buckling restrained brace
• Hysteretic behavior

Alüminyum alaşımlı çekirdekli burkulması önlenmiş çaprazların (BÖÇ) tasarımı üretimi ve yön değiştiren tekrarlı yükler etkisindeki davranışı

Öz

BÖÇ’lerin üretiminde kullanılan çelik malzemeye alternatif farklı bir çekirdek malzemesi olan alüminyumun kullanılma olanakları araştırılmıştır. Buradaki tipik özellikleri ile ilk defa üretilen ve denenen alüminyum alaşımlı BÖÇ’lerin, çelik BÖÇ’lere göre olası davranış verimliliğinin/üstünlüğünün irdelenmesine yönelik çalışmalardan elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Tasarımı yapılan BÖÇ’lerin üretiminde kullanılan alüminyum alaşım malzemelerinin mekanik özelliklerini tam olarak belirleyebilmek için çok sayıda çekme numunesi, öngörülen standartlara göre ve çekirdek boyutlarına yakın boyutlarda hazırlanarak çekme deneyleri yapılmıştır. Malzeme deneylerinden elde edilen sonuçlar BÖÇ’ün tasarımında ve üretiminde kullanılacak malzemenin seçimine yönelik önemli bilgiler içermektedir. Ayrıca, BÖÇ’lerin çekirdekleri üzerinden şekildeğiştirme ölçümlerinin yapılabilmesi için bir strain-gauge yerleştirme düzeni önerilmiş ve denenmiştir. Deneysel yöntemle incelenen BRB-AC1 ve BRB-AC3 numunelerinin üretiminde A5083-H111 alüminyum alaşımlı malzemenin tercih edilme nedenleri kapsamlı şekilde verilmiştir. Alüminyum BÖÇ’lerin üretimi, uygulanan kaynak prosedürü, çevrimsel yükleme deneyi, veri toplama sistemi ile ilgili elde edilen sonuçlar da bu çalışma kapsamındadır. Numunelerin kuvvet-yerdeğiştirme histeretik eğrileri, çekme ve basınç taşıma kapasiteleri, enerji yutma miktarları,  kümülatif inelastik yerdeğiştirmeleri ve  etkili sönüm oranları karşılaştırılmıştır. Simetriğe yakın histeretik eğri elde edilmesini garantileyen  basınç dayanımı düzeltme katsayısının deneylerde  olması koşulu sağlanmıştır. Uç birleşimi kaynaksız olarak düzenlenen BÖÇ’ün (BRB-AC3) davranış özelliklerinin kaynaklı uç birleşimi olana (BRB-AC1) göre çok daha üstün olduğu sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Alüminyum alaşım
• Burkulması önlenmiş çapraz
• Histeretik davranış

References

1. Black C, Makris N, Aiken I. “Component Testing, Stability Analysis and Characterization of Buckling Restrained Unbonded Braces”. Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, USA, Report No. PEER 2002/08, 2002.
2. De Matteis G, Mazzolani FM, Panico S. “Pure aluminum shear panels as passive control system for seismic protection of steel moment resisting frames”. In proceedings of the 4th International Conference on Behavior of Steel Structures in Seismic Areas (STESSA 2003)-Mazzolani FM. Editor, Balkema, Naples, Italy, 9-12 June 2003.
3. De Matteis G, Panico S, Mazzolani FM. “Experimental study on pure aluminium shear panels with different stiffener types”. In proceedings of the 5th International Conference on Behavior of Steel Structures in Seismic Areas (STESSA 2006)-Mazzolani&Wada, Yokohama, Japan, 14-17 August 2006.
4. Rai DC, Jain S. “Inelastic buckling criteria for aluminium shear panels as energy dissipation devices”. In proceedings of the 5th International Conference on Behavior of Steel Structures in Seismic Areas (STESSA 2006)-Mazzolani&Wada, Yokohama, Japan, 14-17 August 2006.
5. Zhu JH, Young B. “Tests and design of aluminum alloy compression members”. Journal Structural Engineering. 132(7), 1096-1107, 2006.
6. Zhou F, Young B. “Concrete-filled aluminum circular hollow section column tests”. Thin-Walled Structures, Elsevier, 47(11), 1272-1280, 2009.
7. Usami T, Wang CL, Funayama J. “Developing high-performance aluminum alloy buckling-restrained braces on series of low-cycle fatigue tests”. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 41(4), 643-661, 2012.
8. Wang CL, Usami T, Funayama J, Imase F. “Low-cycle fatigue testing of extruded aluminium alloy buckling-restrained braces”. Engineering Structures, 46, 294-301, 2013.

9. Avcı-Karataş Ç. Çelik ve Alüminyum Alaşımlı Çekirdekli Burkulması Önlenmiş Çaprazların (BÖÇ) Tasarımı, Üretimi ve Yön Değiştiren Tekrarlı Yükler Etkisindeki Davranışı. Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2013.
10. American Society for Testing and Materials (ASTM) International. “Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”. West Conshohocken, PA, USA, Standard No. ASTM E8/E8M-09, 2009.
11. American Welding Society (AWS). “Structural Welding Code-Aluminum”. Miami, FL, USA, Standard No. ANSI/AWSD1.2/D1.2M:2008, 2008.
12. American Institute of Steel Construction (AISC). “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”. Chicago, IL, USA, Standard No. AISC 341-10, 2010.
13. American Institute of Steel Construction (AISC). “Specification for Structural Steel Buildings”. Chicago, IL, USA, Standard No. AISC-LRFD 360-10, 2010.
14. Celik OC, Bruneau M. “Skewed slab-on-girder steel bridge superstructures with bidirectional ductile end diaphragms”. Journal Bridge Engineering, 16(2), 207-218, 2011.
15. Kissell JR, Ferry RL. Aluminum Structures. 2nd ed. New York, USA, John Willey & Sons, INC, 2002.
16. SAP 2000 version 14. “CSI Analysis Reference Manual, Computer and Structures”. Inc., Berkeley, CA, 2009.
17. Federal Emergency Management Agency (FEMA). “Pre-standard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings”. Washington, DC, USA, Standard No. FEMA 356, 2000.