This paper aims to explore the mechanical behavior and moment-rotation model of blind bolted joints between concrete-filled double skin steel tubular columns and steel-concrete composite beams. For this type of joint, the inner tube and sandwiched concrete were additionally identified as basic components compared with CFST blind bolted joint. A modified moment-rotation model for this type of connection was developed, of which the compatibility condition and mechanical equilibrium were employed to determine the internal forces of basic components and neutral axis. Following this, load transfer mechanism among the inner tube, sandwiched concrete and outer tube was discussed to assert the action area of the components. Subsequently, assembly processes of basic coefficients in terms of their stiffness and resistances based on the component method by simplifying them as assemblages of springs in series or in parallel. Finally, an experimental investigation on four substructure joints with CFDST columns for validation purposes was carried out to capture the connection details. The predicted results derived from the mechanical models coincided well with the experimental results. It is demonstrated that the proposed mechanical model is capable of evaluating the complete moment-rotation relationships of blind bolted CFDST column composite connections.
Through bolt connections in Concrete Filled Steel Tubes (CFSTs) has been proved to be good in terms of seismic performance and constructability. Stiffened extended end plate connection with full through type bolt helps to avoid field weld altogether, and hence to improve the quality of joints. An experimental study was conducted on the hysteretic performance of square interior beam-column connections using flat extended end plates with through bolt. The study focuses on the effect of the bond between the tie rod and the core concrete on the cyclic performance of the joint. The study also quantifies how much the interior joint is getting strengthened due to the confinement effect induced by bi-directional bolting, which is widely used in 3D moment resisting frames. For a better understanding of the mechanism and for the prediction of shear capacity of the panel zone, a mathematical model was generated. The various parameters included in the model are the influence of axial load, amount of prestress induced by bolt tightening, anchorage, and the concrete strut action. The study investigates the strength, stiffness, ductility, and energy dissipation characteristics. The results indicate that the seismic resistance is at par with American Institute of Steel Construction (AISC) seismic recommendations. The bidirectional bolting and bond effect have got remarkable influence on the performance of joints.
The PCS system, which consists of precast concrete column and steel beam, is a kind of composite structural systems. In this paper, experimental study has been conducted to analyze seismic performance of bolted beam-to-column connections for the PCS system. Based on experimental results from the seismic testing of eight interior PCS specimens, it shows that behavior of PCS system is satisfactory to seismic performance criteria of ACI such as strength deterioration, stiffness degradation and energy dissipation capacity except initial stiffness. All of the specimens maintain their strength at large levels of story drift without significant loss of stiffness and show high ductility level for inelastic behavior. The energy dissipation capacity is two times greater than requirement of ACI criterion. But the initial stiffness of all specimens does not satisfy ACI criterion, and this phenomenon is similar to the other composite structural systems such as RCS, CFT system.
A novel post-tensioned self-centering (SC) concrete beam-column connection with web friction devices has been proposed for concrete moment-resisting frames. This paper presents a probabilistic performance evaluation procedure to evaluate the performance of the self-centering concrete frame with the proposed post-tensioned beam-column connections. Two performance limit states, i.e., immediate occupancy (IO) and repairable (RE) limit states, are defined based on peak and residual story drift ratios. Statistical analyses of seismic demands revealed that the dispersion of residual drifts is larger than that of peak drifts. Due to self-centering feature of post-tensioning connections, the SC frame was found to have high probabilities to be recentered under the design basis earthquake (DBE) and maximum considered earthquake (MCE) ground motions. Seismic risk analysis was performed to determine the annual (50-year) probability of exceedance for IO and RE performance limit states, and the results revealed that the design objectives of the SC frame would be met under the proposed performance-based design approach.
The presented paper considers infill masonry walls' influence on the seismic reliability of precast concrete frames. The recent Bojnord earthquake on May 13th, 2017 in Iran (MW 5.4) illustrated that the infill masonry walls play a crucial role in the damage extent and life safety issues of inhabitants in the precast concrete buildings. The incremental dynamic analysis (IDA) approach was used to determine the fragility curves of the represented damaged precast frame. Then, by integrating site hazard and structural fragilities, the seismic reliability of the represented precast frame was evaluated in different damage limit states. Additionally, the static pushover analysis (SPA) approach was used to assess the seismic performance assessment of the precast frame. Bare and infilled frames were modeled as 2D frames employing the OpenSees software platform. The multi-strut macro-model method was employed for infill masonry simulation. Also, a relatively efficient and straightforward nonlinear model was used to simulate the nonlinear behavior of the precast beam-column joint. The outputs show that consideration of the masonry infilled wall effect in all spans of the structural frame leads to a decrease in the possibility of exceedance of specified damage limit states in the structures. In addition, variation of hazard curves for buildings with and without consideration of infilled walls leads to a decrease in the reliability of the building's frames with masonry infilled walls. Furthermore, the lack of infill walls in the first story significantly affects the precast concrete frame's seismic reliability and performance.
This paper presents a case study about the damages on the structural elements of a cast in place reinforced concrete (RC) building after a big fire which was able to be controlled after six hours. The fire broke off at the $2^{nd}$ basement floor of the building, which has five basements, one ground, and two normal floors. As a result of intensely stocked ignitable materials, it spread out to the all of the upstairs. In visual inspection, most of the typical fire damages were observed (such as spalling, net-like cracks, crumbled plasters, bared or visible reinforcement). Also, failures of the $2^{nd}$ basement columns were encountered. It has been concluded that the severity failures of the columns at the $2^{nd}$ basement caused utterly deformation of the building, which is responsible for the massive damages on the beam-column connections. All of the observed damages were categorized related to the types and presented separated regarding the floors. Besides to the visual inspection, the numerical analysis was run to verify the observed damaged on the building for columns, beams, and the connection regions. It is concluded from the study that several parameters such as duration of the fire, level of the temperature influence on the damages to the RC building. Also, it is highlighted by the study that if the damaged building is considered on the overall structural system, it is not able to satisfy the minimum service requirements neither gravity loads nor earthquake conditions.
A concrete-filled tube is a concrete-filled steel tube structure. The steel tube confines the concrete to increase the compressive strength, and the concrete contains the buckling of the tube. CFT structures require a diaphragm to prevent buckling of steel at connections. An outer diaphragm has better concrete filling than a through diaphragm due to a large bore, but being larger than the through diagram, it has poorer constructability and cooperation with building equipment. In this study, a CFT structure that uses different types of diaphragms in its upper and lower connections to improve the concrete filling was tested and analyzed via the FEM program. The building structure had a floor slab that was unified with the upper diaphragm, so the outer diaphragm was placed at the upper bound. Moreover, the through diaphragm was placed at the lower connection to avoid obstruction from building equipment. The CFT structure with the improved concrete filling showed the same structural behavior as the CFT structure with the use of the same type of diaphragms at the upper and lower connections.
Park, Chang-Hee;Lee, Cheol-Ho;Park, Hong-Gun;Hwang, Hyeon-Jong;Lee, Chang-Nam;Kim, Hyoung-Seop;Kim, Sung-Bae
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.23
no.4
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pp.503-514
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2011
In this research, the seismic connection details for two concrete-filled U-shape steel beam-to-H columns were proposed and cyclically tested under a full-scale cruciform configuration. The key connecting components included the U-shape steel section (450 and 550 mm deep for specimens A and B, respectively), a concrete floor slab with a ribbed deck (165 mm deep for both specimens), welded couplers and rebars for negative moment transfer, and shear studs for full composite action and strengthening plates. Considering the unique constructional nature of the proposed connection, the critical limit states, such as the weld fracture, anchorage failure of the welded coupler, local buckling, concrete crushing, and rebar buckling, were carefully addressed in the specimen design. The test results showed that the connection details and design methods proposed in this study can well control the critical limit states mentioned above. Especially, the proposed connection according to the strengthening strategy successfully pushed the plastic hinge to the tip of the strengthened zone, as intended in the design, and was very effective in protecting the more vulnerable beam-to-column welded joint. The maximum story drift capacities of 6.0 and 6.8% radians were achieved in specimens A and B, respectively, thus far exceeding the minimumlimit of 4% radians required of special moment frames. Low-cycle fatigue fracture across the beam bottom flange at a 6% drift level was the final failure mode of specimen A. Specimen B failed through the fracture of the top splice plate of the bolted splice at a very high drift ratio of 8.0% radian.
This paper proposes a developed optimization model for steel frames with semi-rigid beam-to-column connections and fixed bases using teaching-learning-based optimization (TLBO) and genetic algorithm (GA) techniques. This method uses rotational deformations of frame members ends as an optimization variable to simultaneously obtain the optimum cross-sections and the most suitable beam-to-column connection type. The total cost of members plus connections cost of the frame are minimized. Frye and Morris (1975) polynomial model is used for modeling nonlinearity of semi-rigid connections, and the $P-{\Delta}$ effect and geometric nonlinearity are considered through a stepped analysis process. The stress and displacement constraints of AISC-LRFD (2016) specifications, along with size fitting constraints, are considered in the design procedure. The developed model is applied to three benchmark steel frames, and the results are compared with previous literature results. The comparisons show that developed model using both LTBO and GA achieves better results than previous approaches in the literature.
Concrete filled tubular(CFT) members have many structural and constructional advantages. The prefabrication of CFT members can be thought an idea for the good qualify control of concrete. The objective of this study is to suggest the construction method of prefab CFT beam-columns. Tests are performed to understand their structural behaviors. The opening space between prefab CFT members and the size of tubular members are the parameters of this study. The results of this study will be based on the suggestion of prefab CFT.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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