This paper presents an experimental study on the behavior of concrete-encased composite columns with multiseparate steel sections subjected to axial and eccentric loads. Six 1/4-scaled concrete-encased composite columns were tested under static loads. The specimens were identical in geometric dimensions and configurations, and the parameter of this experiment was the eccentricity ratio of the applied load. Each two of the specimens were loaded with 0, 10%, and 15% eccentricity ratios. The capacity, deformation pattern, and failure mode of the specimens were carefully examined. Test results indicate that full composite action between the concrete and the steel sections can be realized even though the steel sections do not connect with one another. The concrete-encased composite columns can develop stable behavior and sufficient deformation capacity by providing enough transverse reinforcing bars. Capacities of the specimens were evaluated based on both the Plain Section Assumption (PSA) method and the superimposition method. Results show that U.S. and Chinese codes can be accurate and safe in terms of bending capacities. Test results also indicate that the ACI 318 and Mirza methods give the best predictions on the flexural stiffness of this kind of composite columns.
In this study, structural characteristics were analyzed by combining gravity load and lateral loads such as seismic loads through static analysis of example structures, and the static characteristics of the twisted structure according to the plane rotation angle were also analyzed. Example structures were selected as regular structure, and twisted structures; 1.0, 2.0, and 3.0 degree angle of rotation per story, and static analysis was performed by the load combination case 1 and case 2. As a result the story drift ratio of the twisted-shaped structure also increased as the plane rotation angle per story increased. The eccentricity according to the load combination was the highest in the lower stories of all analysis models, and the eccentricity was found to be larger as the rotation angle decreased. The twisted-shaped structure was more responsible for the bending moment of the column than the regular structure, and the vertical member axial force of all analysis models was almost similar.
In this paper, a twisted shape structure with an elevation form favorable to the resistance of vibration caused by wind loads is selected from among the forms of high-rise buildings. The analytical model is a square, triangular, and hexagonal plane with a plane rotation angle of one degree from 0 to 3 degrees per each story. As a result of the analysis, as the twist angle increased, story drift ratio is increased. Responses with different eccentricity rates were shown by analytical models. Therefore planar shapes designed symmetrically to the horizontal axis of X and Y are considered advantageous for eccentricity and torsion deformation. In the case of the bending moment of the column, the response was amplified in the column supporting the base floor, the roof floor, the floor in which the cross-section of the vertical member changes, and the floor having the same number of nodes as the base floor. Finally, the axial force response of the column is determined to be absolutely affected by the gravity load compared to the lateral load.
Due to the asymmetric cross-section of unequal-angle steel, the application of loads can induce axial rotation, leading to a series of buckling failure behaviors. Special attention must be paid during the design process. The present study aims to analyze the structural behavior of asymmetric steel angle members under various eccentric loading conditions, considering the complex biaxial bending interaction that arises when the angle steel is connected to the panel. Several key factors are investigated in this paper, including the effects of uniaxial and biaxial eccentricity on the structural behavior and the eccentric axial compression strength of long and short legs at different load application points. Potential risks associated with the specified load points, based on the AISC specifications, are also discussed. The study observed that the strength values of the members exhibited significant changes when the eccentric load deviates from the specified point. The relative position of the eccentric load point and the slenderness ratio of the member are critical influencing factors. Overall, this research intends to enhance the accuracy and reliability of strength analysis methods for asymmetric single angle steel members, providing valuable insights and guidance for a safer and more efficient design.
This paper presents a detailed parametric study, conducted using finite element tools to cover a range of several geometric and material parameters, on the behaviour of thin-walled partially encased composite (PEC) columns. The PEC columns studied herein are composed of thin-walled built-up H-shaped steel sections with concrete infill cast between the flanges. Transverse links are provided between the opposing flanges to improve resistance to local buckling. The parametric study is confined to eccentrically-loaded columns subjected to major axis bending only. The parameters that were varied include the overall column slenderness ratio (L/d), load eccentricity ratio (e/d), link spacing-to-depth ratio (s/d), flange plate slenderness ratio (b/t) and concrete compressive strength ($f_{cu}$). The overall column slenderness ratio was chosen to be the primary variable with values of 5, 10 and 15. Other parameters were varied within each case of L/d ratio. The effects of the selected parameters on the behaviour of PEC columns were studied with respect to the failure mode, peak axial load, axial load versus average axial strain response, axial load versus lateral displacement response, moment versus lateral displacement behaviour and the axial load-moment interaction diagram. The results of the parametric study are presented in the paper and the influences of each of the parameters investigated are discussed.
본 연구에서는 프리스트레스트 콘크리트 보의 처짐 예측을 위해 재료비선형이 고려된 콘크리트 및 철근, 강연선의 거동을 고려할 수 있는 구성모델을 조합하여 적층 쉘 요소를 사용한 유한요소해석 모델에 적용하였다. 이를 기존 연구자들의 실험 결과와 비교함으로써 모델의 타당성을 검증하였고, 스팬-깊이비, 편심 그리고 프리스트레싱 크기에 대한 처짐을 해석하고 이를 수계산 결과와 비교하였다. 그 결과, 스팬-깊이비가 커질수록, 편심이 작아질수록, 프리스트레싱 크기가 작아질수록 처짐이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 편심이 매우 작을 경우와 프리스트레싱 크기가 매우 작을 경우에는 수계산이 처짐을 과대평가한다는 것을 확인하였다.
A comprehensive study was provided to investigate the buckling behavior of the steel plates with and without through-thickness holes subjected to uniaxial compression using ABAQUS. The method was validated by the results reported in the literature. Using the critical stresses, the buckling coefficients ($K_c$) were calculated. The effects of inclusion of material nonlinearity, plate thickness (t), aspect ratio (AR), and initial imperfection on buckling resistance of the plate was studied. Besides, the effects of having the hole in the plate were also studied. The diameter of the hole was normalized by dividing by plate breadth and was given in the form of ${\alpha}$. Results showed that perforating one hole in the center of a plate increases the plate buckling resistance while the having two holes resulted in a decrease in the plate buckling resistance. The effects of hole eccentricity (Ecc) on the buckling resistance of the plate was studied. The position of the hole center was normalized by half of the plate breadth and length in X- and Y-directions, respectively. In this study, four cases of boundary conditions were considered, and the corresponding buckling behavior were studied combined with plate aspect ratio. It was observed that the boundary condition of the case I resulted in the highest buckling resistance. Finally, a comparison was made between the buckling behavior of the uniaxially and biaxially loaded plate. It was revealed that the buckling resistance of a biaxially loaded plate is lower half than half of that of the uniaxially loaded plate.
본 연구는 각형강관을 이용한 프랫트러스의 N형 접합부의 거동을 연구하는 것으로 접합부를 보강하지 않고 접합형상만을 변화시켜 접합부의 구조적 특성을 향상시키는데 그 목적이 있다. 주요변수는 주관에 대한 지관의 폭비, 압축지관과 인장지관 사이의 갭 크기비와 편심비 등이며, 지관회전 여부에 따라 분류, 정방형(NSE계열)과 지관 $45^{\circ}$ 회전형(NPE계열)에 대한 각종 변수별 내력과 변형성상을 실험을 통해 규명하였으며, 지관을 $45^{\circ}$ 회전할 경우 최대내력 및 변형성상이 재선됨을 밝혀내었다. 또한, 실험결과로부터 각 계열별 평균극한강도식을 도출하였으며, NSE계열의 경우 현행 유럽의 규준식을 국내 실정에 맞도록 수정, 제안하였고, NPE계열은 편심비의 영향을 고려할 수 있는 실험식을 제안하였다.
Amir Shahmohammadian;Mohammad Reza Mansoori;Mir Hamid Hosseini;Negar Lotfabadi Bidgoli
Earthquakes and Structures
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제25권6호
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pp.417-427
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2023
If the center of mass and center of stiffness or strength of a structure plan do not coincide, the structure is considered asymmetric. During an earthquake, in addition to lateral vibration, the structure experiences torsional vibration as well. Lateraltorsional coupling in asymmetric structures in the plan will increase lateral displacement at the ends of the structure plan and, as a result, uneven deformation demand in seismically resistant frames. The demand for displacement in resistant frames depends on the magnitude of transitional displacement to rotational displacement in the plan and the correlation between these two. With regard to the inability to eliminate the asymmetrical condition due to various reasons, such as architectural issues, this study has attempted to use supplemental viscous dampers to decrease the correlation between lateral and torsional acceleration or displacement in the plan. This results in an almost even demand for lateral deformation and acceleration of seismic resistant frames. On this basis, using the concept of Torsional Balance, adequate distribution of viscous dampers for the decrease of this correlation was determined by transferring the "Empirical Center of Balance" (ECB) to the geometrical center of the structure plan and thus obtaining an equal mean square value of displacement and acceleration of the plan edges. This study analyzed stiff and flexible torsional structures with one-way and two-way mass asymmetry in the Opensees software. By implementing the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, the optimum formation of dampers for controlling lateral displacement and acceleration is determined. The results indicate that with the appropriate distribution of viscous dampers, not only does the lateral displacement and acceleration of structure edges decrease but the lateral displacement or acceleration of the structure edges also become equal. It is also observed that the optimized center of viscous dampers for control of displacement and acceleration of structure depends on the amount of mass eccentricity, the ratio of uncoupled torsional-to-lateral frequency, and the amount of supplemental damping ratio. Accordingly, distributions of viscous dampers in the structure plan are presented to control the structure's torsion based on the parameters mentioned.
A numerical method is presented in this paper, for buckling analysis of thin arbitrary stiffened composite cylindrical shells under axial compression. The stiffeners can be placed inside and outside of the shell. The shell and stiffeners are operated as discrete elements, and their interactions are taking place through the compatibility conditions along their intersecting lines. The governing equations of motion are obtained based on Koiter's theory and solved by utilizing the principle of the minimum potential energy. Then, the buckling load coefficient and the critical buckling load are computed by solving characteristic equations. In this formulation, the elastic and geometric stiffness matrices of a single curved strip of the shell and stiffeners can be located anywhere within the shell element and in any direction are provided. Moreover, five stiffened composite shell specimens are made and tested under axial compression loading. The reliability of the presented method is validated by comparing its numerical results with those of commercial software, experiments, and other published numerical results. In addition, by using the ANSYS code, a 3-D finite element model that takes the exact geometric arrangement and the properties of the stiffeners and the shell into consideration is built. Finally, the effects of Poisson's ratio, shell length-to-radius ratio, shell thickness, cross-sectional area, angle, eccentricity, torsional stiffness, numbers and geometric configuration of stiffeners on the buckling of stiffened composite shells with various end conditions are computed. The results gained can be used as a meaningful benchmark for researchers to validate their analytical and numerical methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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