Retrofitting of Flexural Steel Frames Using Cable Bracing

I n t h i s p a p e r, t h e b e h a v i o r o f f l e x u r a l s t e e l f r a m e s u s i n g c a b l e b r a c i n g i s i n v e s t i g a t e d. X b r a c i n g w i t h a n g l e p r o f i l e s, X b r a c i n g w i t h a c a b l e, a n d b r a c i n g w i t h t w o c a b l e s p a s s i n g c y l i n d r i c a l s t e e l s h e a t h s a t t h e i n t e r s e c t i o n o f t h e c a b l e s, a r e t h e t h r e e t y p e s o f r e t r o f i t t i n g o f f l e x u r a l s t e e l f r a m e s s t u d i e d i n t h i s p a p e r. T h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l o f a s t e e l f r a m e, w i t h a n d w i t h o u t t h e t h r e e t y p e s o f r e t r o f i t t i n g h a s b e e n m a d e. N o n-l i n e a r a n a l y s i s o f f r a m e s u n d e r c y c l i c l o a d i n g w i t h i n c r e a s i n g o s c i l l a t i o n s h a s b e e n u n d e r t a k e n. C o m p a r i s o n o f t h e r e s u l t s f r o m t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a s h o w s t h a t t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l h a s a c c e p t a b l e a c c u r a c y. B y d e t e r m i n i n g s h e a r b a s e, t h e a x i a l f o r c e o f c o l u m n s, a n d t h e c y c l i c b e h a v i o r o f f o r c e-d i s p l a c e m e n t, t h e f a i l u r e m e c h a n i s m o f f r a m e s a n d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f e a c h t y p e o f r e t r o f i t t i n g h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d. A c c o r d i n g t o r e s u l t s, u s i n g t h e C o r n e r s t o n e p r o f i l e f o r r e t r o f i t t i n g s t e e l f l e x u r a l f r a m e s i n c r e a s e s r e m a r k a b l y t h e i n i t i a l s t i f f n e s s a n d u l t i m a t e l o a d o f t h e f r a m e c o m p a r e d t o f l e x u r a l f r a m e a n d r e d u c e s u l t i m a t e d i s p l a c e m e n t. R e d u c t i o n i n p l a s t i c i t y a n d f r a m e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y s h o w s t h e u n a c c e p t a b i l i t y o f t h i s t y p e o f r e t r o f i t t i n g, f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f p l a s t i c i t y a n d e n e r g y d e p r e c i a t i o n c a p a c i t y. I n t h e f r a m e s r e t r o f i t t e d b y a c o r n e r s t o n e, b e c a u s e o f t h e b r a c i n g f u n c t i o n a n d a s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n t h e a x i a l f o r c e o f c o l u m n s, t h e n e e d t o r e i n f o r c e t h e c o l u m n s a n d f o u n d a t i o n i s g r e a t e r. D u e t o b u c k l i n g o f t h e c o m p r e s s i v e m e m b e r i n t h i s t y p e o f r e t r o f i t, p e r m a n e n t d e f o r m a t i o n o c c u r s i n t h e f r a m e. I n r e t r o f i t t e d f r a m e u s i n g c r o s s c a b l e s, c a b l e s f r o m t h e e a r l y s t a g e s o f l o a d i n g b e g i n t o p u l l, w h i c h i n c r e a s e s t h e f r a m e's i n i t i a l s t i f f n e s s c o m p a r e d t o t h e s t i f f n e s s o f f l e x u r a l f r a m e s. I n t h i s c a s e, u l t i m a t e l o a d i n c r e a s e s a n d f a i l u r e d i s p l a c e m e n t r e d u c e s. I n t h i s f r a m e, t h e c a b l e b r a c e c o n v e r t s f r a m e b e h a v i o r f r o m d u c t i l e t o b r i t t l e. B e i n g n a r r o w a n d u n s t a b l e i n h y s t e r e s i s c y c l e s s h o w s t h e m e a g e r c a p a c i t y o f t h i s f r a m e t o r e s i s t l a t e r a l f o r c e s. I n t h i s m e t h o d o f r e t r o f i t t i n g, t h e r e q u i r e d r e i n f o r c e m e n t o f c o l u m n s a n d f o u n d a t i o n i s c o n s i d e r a b l e. T h e i n i t i a l s t i f f n e s s o f t h e f r a m e w i t h a c a b l e b r a c e w i t h s h e a t h a n d t h e f l e x u r a l f r a m e i s t h e s a m e. U p t o t h e f i x e d a m o u n t o f d i s p l a c e m e n t a n d t h e b r a c e b e i n g s t r a i g h t, t h e c a b l e i s i n e f f e c t i v e i n f l e x u r a l f r a m e b e h a v i o r, a n d, a f t e r t h a t, i f l a t e r a l f o r c e s i n v a d e l a t e r a l f o r c e s, t h e b r a c e c o n t r i b u t e s w i t h a d e l a y i n f r a m e b e h a v i o r. B y a d d i n g t h e b r a c e t o t h e s e f r a m e s w h i l e m a i n t a i n i n g t h e p l a s t i c i t y o f t h e f r a m e, i t s r e s i s t a n c e w i l l i n c r e a s e. I n t h i s c a s e, t h e i n c r e a s e i n t h e a x i a l f o r c e o f t h e c o l u m n i s l e s s t h a n o t h e r m e t h o d s o f b r a c i n g, a n d t h e e x i s t i n g p o s s i b l e o v e r l o a d i n c o l u m n s a n d f o u n d a t i o n c a n b e r e s p o n s i v e t o t h e i n c r e a s e i n a x i a l f o r c e i n c o l u m n s, o r, i f r e t r o f i t t i n g i s n e e d e d, t h e a m o u n t o f r e i n f o r c e m e n t i s s l i g h t.