Seismic performance of hybrid steel frames defined as mixture of rigid and semi-rigid connections is investigated in this paper. Three frames with 10, 15 and 20 stories are designed with fully rigid connections and then with 4 patterns for semi-rigid connection placement, some of beam to column rigid connections would turn to semi-rigid. Each semi-rigid connection is considered with 4 different moment capacities and all rigid and semi-rigid frames consisting of 51 models are subjected to 5 selected earthquake records for nonlinear analysis. Maximum story drifts, roof acceleration and base shear are extracted for those 5 earthquake records and average values are obtained for each case. Based on numerical results for the proposed hybrid frames, story drifts remain in allowable range and the reductions in the maximum roof acceleration of 22, 29 and 25% and maximum base shear of 33, 31 and 54% occur in those 10, 15 and 20-story frames, respectively.
Seismic performances of dual steel moment-resisting frames with mixed use of rigid and semi-rigid connections were investigated to control of the base shear, story drifts and the ductility demand of the elements. To this end, nonlinear seismic responses of three groups of frames with three, eight and fifteen story were evaluated. These frames with rigid, semi-rigid and combined configuration of rigid and semi-rigid connections were analyzed under five earthquake records and their responses were compared in ultimate limit state of rigid frame. This study showed that in all frames, it could be found a state of semi-rigidity and connections configuration which behaved better than rigid frame, with consideration of the base shear and story drifts criterion. Finally, some criteria were suggested to locate the best place of the semi-rigid connections for improvement of the seismic performance of steel moment-resisting frames.
Sharma, Vijay;Shrimali, Mahendra K.;Bharti, Shiv D.;Datta, Tushar K.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.5
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pp.625-641
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2020
The realistic modeling of the beam-column semi-rigid connection in steel frames attracted the attention of many researchers in the past for the seismic analysis of semi-rigid frames. Comparatively less studies have been made to investigate the behavior of steel frames with semi-rigid connections under different types of earthquake. Herein, the seismic behavior of semi-rigid steel frames is investigated under both far and near-field earthquakes. The semi-rigid connection is modeled by the multilinear plastic link element consisting of rotational springs. The kinematic hysteresis model is used to define the dynamic behavior of the rotational spring, describing the nonlinearity of the semi-rigid connection as defined in SAP2000. The nonlinear time history analysis (NTHA) is performed to obtain response time histories of the frame under scaled earthquakes at three PGA levels denoting the low, medium and high-level earthquakes. The other important parameters varied are the stiffness and strength parameters of the connections, defining the degree of semi-rigidity. For studying the behavior of the semi-rigid frame, a large number of seismic demand parameters are considered. The benchmark for comparison is taken as those of the corresponding rigid frame. Two different frames, namely, a five-story frame and a ten-story frame are considered as the numerical examples. It is shown that semi-rigid frames prove to be effective and beneficial in resisting the seismic forces for near-field earthquakes (PGA ≈ 0.2g), especially in reducing the base shear to a considerable extent for the moderate level of earthquake. Further, the semi-rigid frame with a relatively weaker beam and less connection stiffness may withstand a moderately strong earthquake without having much damage in the beams.
Semi-rigid frames are frames for whcih the connections joining the beam and column are neither fully rigid nor perfectly pinned. In reality, all steel frames are semi-rigid in nature as all connections exhibit a certain degree of flexibility under loads. For semi-rigid frmaed structures, it is tended to reduce more rigidity of the member for the nonlinear behavior of connections and the P-delta effects of framed structure. To predict the actual behavior of semi-rigid steel frames, a more realistic analysis methods which explicitly takes into account the effect of connection flexibility should be used. In this research, the effect of connection flexibility in the semi-rigid structure has been investigated. To predict the response of flexibility connected frames, the algorithm of semi-rigid steel frame is developed using connection model having nonlinear spring on end of beam.
In this paper, the effect of semi-rigid connections on the stability bearing capacity of cross-bracings in steel tubular transmission towers is investigated. Herein, a prediction method based on the hybrid model which is a combination of particle swarm optimization (PSO) and backpropagation neural network (BPNN) is proposed to accurately predict the stability bearing capacity of cross-bracings with semi-rigid connections and to efficiently conduct its probabilistic assessment. Firstly, the establishment of the finite element (FE) model of cross-bracings with semi-rigid connections is developed on the basis of the development of the mechanical model. Then, a dataset of 7425 samples generated by the FE model is used to train and test the PSO-BPNN model, and the accuracy of the proposed method is evaluated. Finally, the probabilistic assessment for the stability bearing capacity of cross-bracings with semi-rigid connections is conducted based on the proposed method and the Monte Carlo simulation, in which the geometric and material properties including the outer diameter and thickness of cross-sections and the yield strength of steel are considered as random variables. The results indicate that the proposed method based on the PSO-BPNN model has high accuracy in predicting the stability bearing capacity of cross-bracings with semi-rigid connections. Meanwhile, the semi-rigid connections could enhance the stability bearing capacity of cross-bracings and the reliability of cross-bracings would significantly increase after considering semi-rigid connections.
Semi-rigid connections are the actual behavior of beam-to-column connections in steel frames. However, the behavior of semi-rigid connections is not taken into account for the simplicity in the conventional analysis and design of steel frames. A computer-based analysis and design has been studied for the three-dimensional steel frames with semi-rigid connections. The nonlinear analysis which includes the effects of the flexibility of connections is used for this study. It is designed according to the buckling and combined stress constraints under the present loading after the joint deformations and the member end forces of the space frame are determined by the stiffness matrix method. The semi-rigid connection type is limited to the top and bottom angles with a double web angle connection. The Frye-Morris polynomial model is used to describe the non-linear behavior of semi-rigid connections. Various design examples are presented to demonstrate the efficiency of the method. The results of design and analysis of unbraced semi-rigid frames are compared to the results of unbraced rigid frames under the same design requirements.
The use of composite semi-rigid connections is not fully exploited, in spite of its great number of advantages. Composite semi-rigid connections may lead to an optimal moment distribution that will render lighter structures. Furthermore, using the appropriate semi-rigid connection design, the stability of the frames against lateral loads may entirely rely on the joint stiffness, thus avoiding bracing systems and permitting more diaphanous designs. Although modern codes, such as the Eurocode 4 (EC4), propose thorough methods of analysis they do not provide enough insight and simplicity from the design point of view. The purpose of this paper is to introduce practical and efficient methods of analysis that will facilitate the work of a structural analyst starting from the global analysis of the composite frame and ending on the final connection design. A key aspect is the definition of the stiffness and strength of the connections that will lead to an optimal moment distribution in the composite beams. Two examples are presented in order to clarify the application of the proposed methods and to demonstrate the advantages of the semi-rigid composite design with respect to the alternative pinned and rigid ones. The final aim of the paper is to stimulate and encourage the designer on the use of composite semi-rigid structures.
Zohra, Djouaher Fatma;Nacer, Ihaddoudene Touati Abd
Structural Engineering and Mechanics
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v.65
no.3
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pp.327-334
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2018
In the steel structures design, beam-to-column connections are usually considered either rigid or pinned, while their actual behavior lies between these two ideal cases. This consideration has a major influence on the results of the local and the global behavior of steel structures. This influence is noticed in the case of a static analysis, and has an important effect in the case of a dynamic analysis. In fact, pinned and rigid nodes can be considered as two specific cases of a semi-rigid behavior. To study the efficiency of the classification adopted in Eurocode 3, a numerical simulation of semi-rigid nodes has been carried out using the software ANSYS. In the aim to validate this simulation, the numerical results are compared to those of an analytical approach. After that, the validated numerical simulation has been used, to evaluate the efficiency of the classification adopted by the Eurocode 3, regarding semi-rigid connections. Finally, a new method is proposed to define a more accurate evaluation about semi-rigid connections.
Shallan, Osman;Maaly, Hassan M.;Sagiroglu, Merve;Hamdy, Osman
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.2
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pp.221-231
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2019
This paper performs for the first time a simultaneous optimization for members sections along with semi-rigid beam-to-column connections for space steel frames with fixed, semi-rigid, and hinged bases using a biogeography-based optimization algorithm (BBO) and a genetic algorithm (GA). Furthermore, a member's sections optimization for a fully fixed space frame is carried out. A real and accurate simulation of semi-rigid connection behavior is considered in this study, where the semi-rigid base connections are simulated using Kanvinde and Grilli (2012) nonlinear model, which considers deformations in different base connection components under the applied loads, while beam-to-column connections are modeled using the familiar Frye and Morris (1975) nonlinear polynomial model. Moreover, the $P-{\Delta}$ effect and geometric nonlinearity are considered. AISC-LRFD (2016) specification constraints of the stress and displacement are considered as well as section size fitting constraints. The optimization is applied to two benchmark space frame examples to inspect the effect of semi-rigidity on frame weight and drift using BBO and GA algorithms.
Applying nonlinear statistical analysis methods in estimating the performance of structures in earthquakes is strongly considered these days. This is due to the methods' simplicity, timely lower cost and reliable estimation in seismic responses in comparison with time-history nonlinear dynamic analysis. Among nonlinear methods, simplified to be incorporated in the future guidelines, Modal Pushover Analysis, known by the abbreviated name of MPA, simply models nonlinear behavior of structures; and presents a very proper estimation of nonlinear dynamic analysis using lateral load pattern appropriate to the mass. Mostly, two kinds of connecting joints, 'hinge' and 'rigid', are carried out in different type of steel structures. However, it should be highly considered that nominal hinge joints usually experience some percentages of fixity and nominal rigid connections do not employ totally rigid. Therefore, concerning the importance of these structures and the significant flexibility effect of connections on force distribution and elements deformation, these connections can be considered as semi-rigid with various percentages of fixity. Since it seems, the application and implementation of MPA method has not been studied on moment-resistant steel frames with semi rigid connections, this research focuses on this topic and issue. In this regard several rigid and semi-rigid steel bending frames with different percentages of fixity are selected. The structural design is performed based on weak beam and strong column. Followed by that, the MPA method is used as an approximated method and Nonlinear Response History Analysis (NL-RHA) as the exact one. Studying the performance of semi-rigid frames in height shows that MPA technique offers reasonably reliable results in these frames. The methods accuracy seems to decrease, when the number of stories increases and does decrease in correlation with the semi-rigidity percentages. This generally implies that the method can be used as a proper device in seismic estimation of different types of low and mid-rise buildings with semi-rigid connections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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