This paper provides a state-of-the-art review on advanced analysis models for investigating the load-displacement and ultimate load behaviour of steel and composite frames subjected to static gravity and lateral loads. Various inelastic analysis models for steel and composite members are reviewed. Composite beams under positive and negative moments are analysed using a moment-curvature relationship which captures the effects of concrete cracking and steel yielding along the members length. Beam-to-column connections are modeled using rotational spring. Building core walls are modeled using thin-walled element. Finally, the nonlinear behaviour of a complete multi-storey building frame consisting of a centre core-wall and the perimeter frames for lateral-load resistance is investigated. The performance of the total building system is evaluated in term of its serviceability and ultimate limit states.
In this article, a genetic algorithm based optimum design method is presented for non-linear steel frames with semi-rigid connections. The design algorithm obtains the minimum weight frame by selecting suitable sections from a standard set of steel sections such as European wide flange beams (i.e., HE sections). A genetic algorithm is employed as optimization method which utilizes reproduction, crossover and mutation operators. Displacement and stress constraints of Turkish Building Code for Steel Structures (TS 648, 1980) are imposed on the frame. The algorithm requires a large number of non-linear analyses of frames. The analyses cover both the non-linear behaviour of beam-to-column connection and $P-{\Delta}$ effects of beam-column members. The Frye and Morris polynomial model is used for modelling of semi-rigid connections. Two design examples with various type of connections are presented to demonstrate the application of the algorithm. The semi-rigid connection modelling results in more economical solutions than rigid connection modelling, but it increases frame drift.
This paper presents an optimization process using Genetic Algorithm (GA) for minimum weight by selecting suitable standard sections from a specified list taken from American Institute of Steel Construction (AISC). The stress constraints obeying AISC-LRFD (American Institute of Steel Construction-Load and Resistance Factor Design), lateral displacement constraints being the top and inter-storey drift, mid-span deflection constraints for the beams and geometric constraints are considered for optimum design by using GA that mimics biological processes. Optimum designs for three different space frames taken from the literature are carried out first without considering concrete slab effects in finite element analyses for the constraints above and the results are compared with the ones available in literature. The same optimization procedures are then repeated for the case of space frames with composite (steel and concrete) beams. A program is coded in MATLAB for the optimization processes. Results obtained in the study showed that consideration of the contribution of the concrete on the behavior of the floor beams results with less steel weight and ends up with more economical designs.
With the aim to provide an efficient platform for the elastic-plastic analysis of steel structures, reinforced concrete (RC) structures and steel-concrete composite structures, a program iFiberLUT based on the fiber model was developed within the framework of ABAQUS. This program contains an ABAQUS Fiber Generator which can automatically divide the beam and column cross sections into fiber sections, and a material library which includes several concrete and steel uniaxial material models. The range of applications of iFiberLUT is introduced and its feasibility is verified through previously reported test data of individual structural members as well as planar steel frames, RC frames and composite frames subjected to various loadings. The simulation results indicate that the developed program is able to achieve high calculation accuracy and favorable convergence within a wide range of applications.
This paper presents an experimental investigation into the progressive collapse behavior of composite steel-concrete frames under various column removal scenarios. This study involves testing two two-bay, two-story composite frames featuring CFST columns and profiled steel decking composite slabs. Two removal scenarios, involving the corner column and middle column, are examined. The paper reports on the overall and local failure modes, vertical force-deformation responses, and strain development observed during testing. Findings indicate that structural failure initiates due to fracture and local buckling of the steel beam. Moreover, the collapse resistance and ductility of the middle column removal scenario surpass those of the corner column removal scenario. Subsequent numerical analysis reveals the significant contribution of the composite slab to collapse resistance and capacity. Additionally, it is found that horizontal boundary conditions notably influence the collapse resistance in the middle column removal scenario only. Finally, the paper proposes a simplified calculation method for collapse resistance, which yields satisfactory predictions.
This paper presents the results of a series of tests carried out on cold-formed steel rectangular hollow and concrete infilled beam to column connections and frames. A stub column was chosen such that overall buckling does not influence the connection behaviour. The beam chosen was a short-span cantilever with a concentrated load applied at the free end. The beam was connected to the columns along the strong and weak axes of columns and these connections were tested to failure. Twelve experiments were conducted on cold-formed steel direct welded tubular beam to column connections and twelve experiments on connections with concrete infilled column subjected to monotonic loading. In all the experiments conducted, the stiffness of the connection, the ductility characteristics and the moment rotation behaviour were studied. The dominant mode of failure in hollow section connections was chord face yielding and not weld failure. Provision of concrete infill increases the stiffness and the ultimate moment carrying capacity substantially, irrespective of the axis of loading of the column. Weld failure and bearing failure due to transverse compression occurred in connections with concrete infilled columns. Six single-bay two storied frames both with and without concrete infill, and columns loaded along the major and minor axes were tested to failure. Concentrated load was applied at the midspan of first floor beam. The change in behaviour of the frame due to provision of infill in the column and in the entire frame was compared with hollow frames. Failure of the weld at the junction of the beam occurred for frames with infilled columns. Design expressions are suggested for the yielding of the column face in hollow sections and bearing failure in infilled columns which closely predicted the experimental failure loads.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.1
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pp.11-18
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2011
The connection type of steel moment frames in the country is mostly fabricated in factories so that it is fairly ductile due to good quality control. Based on references, the domestic connection satisfies the performance limit for steel intermediate moment frames specified by the AISC. However, the current KBC2009 building code specifies various systems for steel moment frames such as ordinary, intermediate, and special moment frames while the former KBC2005 only did so for a ductile moment frame. This induces the necessity of investigating which system is appropriate in the country when the domestic connection is applied. Therefore, this study was aimed at finding a proper design method by comparing the ductile moment frame in KBC2005 and the intermediate moment frames in KBC2009. The results showed that seismic design parameters for the ductile moment frames can be reasonable for satisfying the performance objective.
Superelastic Shape Memory Alloys (SMAs) are gaining acceptance for use as reinforcing bars in concrete structures. The seismic behaviour of concrete frames reinforced with SMAs is being assessed in this study. Two eight-storey concrete frames, one of which is reinforced with regular steel and the other with SMAs at the plastic hinge regions of beams and regular steel elsewhere, are designed and analyzed using 10 different ground motion records. Both frames are located in the highly seismic region of Western Canada and are designed and detailed according to current seismic design standards. The validation of a finite element (FE) program that was conducted previously at the element level is extended to the structure level in this paper using the results of a shake table test of a three-storey moment resisting steel RC frame. The ten accelerograms that are chosen for analyzing the designed RC frames are scaled based on the spectral ordinate at the fundamental periods of the frames. The behaviour of both frames under scaled seismic excitations is compared in terms of maximum inter-storey drift, top-storey drift, inter-storey residual drift, and residual top-storey drift. The results show that SMA-RC frames are able to recover most of its post-yield deformation, even after a strong earthquake.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.18
no.1
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pp.37-43
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2014
In current seismic design code, steel moment frames are classified into ordinary, intermediate, and special moment frames. In the case of special moment frames which have large R-factor, economic design is possible by reducing the design lateral force. However, there is difficulty for practical application due to constraints such as strong column-weak beam requirement. This study evaluated if steel intermediate moment frame could maintain enough seismic capacity when the R-factor is increased from 4.5 to 6. As for the analytical models, steel moment frames of 3 and 5 stories were categorized into four performance groups according to seismic design category. Seismic performances of the frames were evaluated through the procedure based on FEMA P695. FEMA P695 utilizes nonlinear static analysis(pushover analysis) and nonlinear dynamic analysis(incremental dynamic analysis, IDA). In order to reflect the characteristics of Korean steel moment frames on the analytical model, the beam-column connection was modeled as weak panel zone where the collapse of panel zone was indirectly considered by checking its ultimate rotational angle after an analysis is done. The analysis result showed that the performance criteria required by FEMA P695 was satisfied when R-factor increased in all the soil conditions except $S_E$.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.3
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pp.97-103
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2004
Most of the columns in centrally braced steel frame buildings are usually designed as the gravity columns to reduce connection cost. For a rational seismic performance evaluation of centrally braced steel frame buildings, it is important to properly incorporate in the analysis the P-${\Delta}$ effects arising from the gravity columns. An effective scheme for the P-${\Delta}$ effects modeling due to the gravity columns was illustrated based on the concept of fictitious leaning column. Seismic performance evaluation of inverted V braced steel frames with or without P-${\Delta}$ effects modeling was conducted by following the FEMA 273 NSP (Nonlinear Static Procedure). The problem in estimating dynamic P-${\Delta}$ modification factor (C3) in FEMA 273 was discussed. The results of this study indicated that the P-${\Delta}$ effects should be included in the seismic performance evaluation of centrally braced steel frames. This study also showed that the inverted V braced frames, retrofitted by applying the tie bars to redistribute the inelastic demand over the height of the building, exhibit significantly improved seismic performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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