Santiago, Aldina;Simoes da Silva, Luis;Vaz, Gilberto;Vila Real, Paulo;Lopes, Antonio Gameiro
Steel and Composite Structures
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v.8
no.3
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pp.243-264
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2008
This paper details a testing facility ("NATURAL FIRE FACILITY") that allows closely-controlled experimental testing on full-scale sub-frames while reproducing the spatially transient temperature conditions measured in real fires. Using this test facility, an experimental investigation of six steel sub-frames under a natural fire was carried out at the Department of Civil Engineering of the University of Coimbra. The main objective of these tests was to provide insight into the influence of these connection types on the behaviour of steel sub-structures under fire. The experimental layout is defined by two thermally insulated HEA300 columns and an unprotected IPE300 beam with 5.7 m span, supporting a composite concrete slab. Beam-to-column connections are representative of the most common joint type used on buildings: welded joints and extended, flush and partial depth plate. Finally, the available results are presented and discussed: evolution of the steel temperature; development of displacements and local deformations and failure modes on the joints zone.
Choi, Sung Mo;Park, Su Hee;Park, Young Wook;Kim, Jin Ho
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.17
no.3
s.76
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pp.325-335
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2005
This study tackles the development of an improved detail of partially restrained CFT square column-to-beam connection and the evaluation of its mechanical behavior under monotonic loading. The connection is designed to strengthen shearing capacity at the bottom of the connection due to the ultimate behavior of PR-CC by its detail of the bottom connection and simplify the fabrication process. The suggested connection is the welded bottom beam flange connection(M-2) and is compared with the existing PR-CC of bolted seat angle connection(M-1). Two specimens were fabricated in actual size and tested under monotonic loading. Based on the test results, the welded bottom beam flange connection exhibited about 85% of the stiffness of steel beam. It was similar to the bolted seat angle connection and behaved as PR-CC. The specimen of the supposed connection type failed at the shear connection of web but was similar to the bolted seat angle connection until the failure. It obtained sufficient stiffness and capacity through the reinforcingsteel and the capacity and deformational ability equivalent to the full-plastic moment through the anchor inside the steel tube at the web connection. So, it can be said that the suggested connection exhibits sufficient ductile behavior.
Japanese larch glulam was used as structural members to develop a modern engineered wood jointing system using traditional post and beam structure. For the connections comprised of traditional joining and drift-pins, structural members are processed at a pre-cut factory. As a basic study to examine and increase the whole shear performance of portal frame, pin withdrawal test and moment resistance tests were conducted on each connection. The post and beam members with specified connectors showed good bearing performance in the wood members' joining system, column-base and beam-end. Moment rigidity was a bit better in a joint with higher slenderness ratio of drift-pin, but moment resistance performances, yield moment and maximum moment, were excellent in smaller one.
Strut-and-tie modeling method, which evolved on truss-model approach, has generally been preferred for the design of complex reinforced concrete structures and structural elements that have critical shear behavior. Some structural members having disturbed regions require exceptional detailing for all support and loading conditions, such as the beam-column connections, deep beams, short columns or corbels. Considering the general expectation of exhibiting brittle behavior, corbels are somewhat dissimilar to other shear critical structures. In this study, reinforcement layout of a corbel model was determined by the participation of structural optimization and strut-and-tie modeling methods, and an experimental comparison was performed against a conventionally designed model.
This paper aims to assess the seismic risk of a plane moment-resisting frames (MRFs) consisting of concrete-filled double skin steel tube (CFDST) columns and I-section steel beams. Firstly, three typical limit performance levels of CFDST structures are determined in accordance with the cyclic tests of seven CFDST joint specimens with 1/2-scaled and the limits stipulated in FEMA 356. Then, finite element (FE) models of the test specimens are built by considering with material degradation, nonlinear behavior of beam-column connections and panel zones. The mechanical behavior of the concrete material are modeled in compression stressed condition in trip-direction based on unified strength theory, and such numerical model were verified by tests. Besides, numerical models on 3, 6 and 9-story CFDST frames are established. Furthermore, the seismic responses of these models to earthquake excitations are investigated using nonlinear time-history analyses (NTHA), and the limits capacities are determined from incremental dynamic analyses (IDA). In addition, fragility curves are developed for these models associated with 10%/50yr and 2%/50yr events as defined in SAC project for the region on Los Angeles in the Unite State. Lastly, the annual probabilities of each limits and the collapse probabilities in 50 years for these models are calculated and compared. Such results provide risk information for the CFDST-MRFs based on the probabilistic risk assessment method.
Yang, Gu Rok;Hwang, Young Seo;Song, Jun Yeup;Kwon, Young Bong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.11
no.2
s.39
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pp.143-151
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1999
An analytical study on the behavior of composite beams, which are composed of cold-formed profiled steel sheeting and normal strength concrete, is described. An analytical method to trace the nonlinear behavior of a composite beam is developed to include the nonlinear material properties of steel sheeting, reinforcing steel bar and concrete. A simple Power Model has also been proposed for the nonlinear moment-curvature relation of the composite beam. The model, which has been originally used to predict the flexural capacity of the beam to column connections, is adapted to the composite beams. The load-deflection behavior of the beams has been simulated by the step-by-step numerical integration using the moment-curvature relation obtained by the Power Model. The results have been compared with test results.
A GA-based optimum design algorithm and a program for plane steel frame structures with semi-rigid connections are presented. The algorithm is incorporated with the refined plastic hinge analysis method wherein geometric nonlinearity is considered by using the stability functions of beam-column members, and material nonlinearity, by using the gradual stiffness degradation model that includes the effects of residual stresses, moment redistribution through the occurrence of plastic hinges, semi-rigid connections, and geometric imperfection of members. In the genetic algorithm, the tournament selection method and micro-GAs are employed. The fitness function for the genetic algorithm is expressed as an unconstrained function composed of objective and penalty functions. The objective and penalty functions are expressed as the weight of steel frames and the constraint functions, respectively. In particular, the constraint functions fulfill the requirements of load-carrying capacity, serviceability, ductility, and construction workability. To verify the appropriateness of the present method, the optimal design results of two plane steel frames with rigid and semi-rigid connections are compared.
In this study, the effect of semi-rigid connections on the structural behavior of 20-story braced steel structure has been investigated utilizing the second-order elastic structural analysis program in which nonlinear behavior of beam-column connections and geometric nonlinearity have been considered. Global effects such as P-delta effect and sway at the top have been studied, as well as distribution of member force and combined stress in structural members as local effects. When the structure subjected to horizontal load and vertical load is equipped with lateral-load resisting system such as braces, replacement of shear connection with semi-rigid connection has not caused any problem in P-delta effect and top lateral displacement. Distribution of member forces resulted in reduction in member size for economic structural design.
In this study, a five-story steel frame was designed in accordance with KBC2005 to evaluate the effect of the beam-column connection on the structural behavior. The connections were designed as a fully rigid connection and as a semirigid connection. A fiber model was utilized to describe the moment-curvature relationship of the steel beam and column, and a three-parameter power model was adopted for the moment-rotation angle of the semirigid connection. To evaluate the effects of higher modes on structural behavior, the structure was subjected to a KBC2005-equivalent lateral load and lateral loads considering higher modes. The structure was idealized as a separate 2D frame and as a connected 2D frame. The pushover analysis of 2D frames for the lateral load yielded the top displacement-base shear force, design coefficients such as overstrength factor, ductility ratio, and response modification coefficient, demanded ductility ratio for the semirigid connection,and distribution of plastic hinges. The sample structure showed a greater response modification coefficient than KBC2005, the higher modes were found to have few effects on the coefficient, and the lateral load of KBC2005 was found to be conservative. The TSD connection was estimated to secure economy and safety in the sample structure.
Flange and web local buckling in beam plastic hinge regions of steel moment frames can prevent beam-column connections from achieving adequate plastic rotations under earthquake-induced forces. Reducing the flange-web slenderness ratios (FSR/WSR) of beams is the most effective way in mitigating local member buckling as stipulated in the latest seismic design specifications. However, existing steel moment frame buildings with beams that lack the adequate slenderness ratios set forth for new buildings are vulnerable to local member buckling and thereby system-wise instability prior to reaching the required plastic rotation capacities specified for new buildings. This paper presents results from a research study investigating the cyclic behavior of steel I-beams modified by a welded haunch at the bottom flange and reinforced with glass fiber reinforced polymers at the plastic hinge region. Cantilever I-sections with a triangular haunch at the bottom flange and flange slenderness ratios higher then those stipulated in current design specifications were analyzed under reversed cyclic loading. Beam sections with different depth/width and flange/web slenderness ratios (FSR/WSR) were considered. The effect of GFRP thickness, width, and length on stabilizing plastic local buckling was investigated. The FEA results revealed that the contribution of GFRP strips to mitigation of local buckling increases with increasing depth/width ratio and decreasing FSR and WSR. Provided that the interfacial shear strength of the steel/GFRP bond surface is at least 15 MPa, GFRP reinforcement can enable deep beams with FSR of 8-9 and WSR below 55 to maintain plastic rotations in the order of 0.02 radians without experiencing any local buckling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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