There are great needs of simple but reliable mechanical nonlinear behavior analysis and performance evaluation method for frames constructed by steel and concrete composite beams or columns when the structures subjected extreme loads, such as earthquake loads. This paper describes an approach of simplified macro-modelling for composite frames consisting of steel-concrete composite beams and CFST columns, and presents the performance evaluation procedure based on the pushover nonlinear analysis results. A four-story two-bay composite frame underground is selected as a study case. The establishment of the macro-model of the composite frame is guided by the characterization of nonlinear behaviors of composite structural members. Pushover analysis is conducted to obtain the lateral force versus top displacement curve of the overall structure. The identification method of damage degree of composite frames has been proposed. The damage evolution and development of this composite frame in case study has been analyzed. The failure mode of this composite frame is estimated as that the bottom CFST columns damage substantially resulting in the failure of the bottom story. Finally, the seismic performance of the composite frame with high strength steel is analyzed and compared with the frame with ordinary strength steel, and the result shows that the employment of high strength steel in the steel tube of CFST columns and steel beam of composite beams benefits the lateral resistance and elasticity resuming performance of composite frames.
A genetic algorithm-based minimum weight design method is presented for steel frames containing composite beams, semi-rigid connections and column bases. Genetic Algorithms carry out optimum steel frames by selecting suitable profile sections from a specified list including 128 W sections taken from American Institute of Steel Construction (AISC). The displacement and stress constraints obeying AISC Allowable Stress Design (ASD) specification and geometric (size) constraints are incorporated in the optimization process. Optimum designs of three different plane frames with semi-rigid beam-to-column and column-to-base plate connections are carried out first without considering concrete slab effects on floor beams in finite element analyses. The same optimization procedures are then repeated for the case of frames with composite beams. A program is coded in MATLAB for all optimization procedures. Results obtained from the examples show the applicability and robustness of the method. Moreover, it is proved that consideration of the contribution of concrete on the behavior of the floor beams enables a lighter and more economical design for steel frames with semi-rigid connections and column bases.
This paper carries out the progressive collapse analysis of stainless steel composite beam-to-column joint sub-models and moment-resisting frames under column removal scenarios. The static flexural response of composite joint sub-models with damaged columns was initially explored via finite element methods, which was validated by independent experimental results and discussed in terms of moment-rotation relationships, plastic hinge behaviour and catenary actions. Simplified finite element methods were then proposed and applied to the frame analysis which aimed to elaborate the progressive collapse response at the frame level. Nonlinear static and dynamic analysis were employed to evaluate the dynamic increase factor (DIF) for stainless steel composite frames. The results suggest that the catenary action effect plays an important role in preventing the damaged structure from dramatic collapse. The beam-to-column joints could be critical components that influence the capacity of composite frames and dominate the determination of dynamic increase factor. The current design guidance is non-conservative to provide proper DIF for stainless steel composite frames, and thus new DIF curves are expected to be proposed.
Steel frames are widely used in steel structures. Exiting steel structures may be needed to strengthen for various reasons. Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) is one of the materials that are used to strengthen steel structures. Most studies on strengthening steel structures have been done on beams and steel columns. No independent study, to the researcher's knowledge, has studied the effect of CFRP strengthening on steel frames. This study explored the use of CFRP composite on retrofitting square hollow section (SHS) steel frames, using numerical investigations. Ten Finite Element (FE) models, which were strengthened with CFRP sheets, were analyzed under different coverage length, number of layers, and location of CFRP composite. One FE model without strengthening was analyzed as a control FE model to determine the increase of the ultimate load in the strengthened steel frames. ANSYS software was used to analyze the SHS steel frames. The results showed that the coverage length and the number of layers of CFRP composite have a significant effect on increasing the ultimate load of the SHS steel frames. The results also showed that the location of CFRP composite had no similar effect on increasing the ultimate load and the amount of mid span deflection of the SHS steel frames.
Based on stability theory of current rigid steel frames and using the three-column subassemblage model, the governing equations for determining the effective length factor (${\mu}$-factor) of the columns in semirigid composite frames are derived. The effects of the nonlinear moment-rotation characteristics of beam-to-column connections and composite action of slab are considered. Furthermore, using a two-bay three-storey composite frame with semi-rigid connections as an example, the effects of the non-linear moment-rotation characteristics of connections and load value on the ${\mu}$-factor are numerically studied and the ${\mu}$-factors obtained by the proposed method and Baraket-Chen's method are compared with those obtained by the exact finite element method. It was found that the proposed method has good accuracy and can be used in stability analysis of semi-rigid composite frames.
There can be a significant amount of moment redistribution in composite frames consisting of steel columns and composite beams, due to cracking, creep and shrinkage of concrete. Considerable amount of computational effort is required for taking into account these effects for large composite frames. A methodology has been presented in this paper for taking into account these effects. In the methodology that has been demonstrated for moderately high frames, neural network models are developed for rapid prediction of the inelastic moments (typically for 20 years, considering instantaneous cracking, and time effects, i.e., creep and shrinkage, in concrete) at a joint in a frame from the elastic moments (neglecting instantaneous cracking and time effects). The proposed models predict the inelastic moment ratios (ratio of elastic moment to inelastic moment) using eleven input parameters for interior joints and seven input parameters for exterior joints. The training and testing data sets are generated using a hybrid procedure developed by the authors. The neural network models have been validated for frames of different number of spans and storeys. The models drastically reduce the computational effort and predict the inelastic moments, with reasonable accuracy for practical purposes, from the elastic moments, that can be obtained from any of the readily available software.
In this study, free vibration analysis of laminated composite parabolic thick plate frames by using finite element method is introduced. Governing equations of an eigenvalue problem are obtained from First Order Shear Deformation Theory (FSDT). Finite element method is employed to obtain natural frequency values from the governing differential equations. The frames consist of two flat square plates and one singly curved plate. Parameters like radii of curvature, aspect ratio, ply orientation and boundary conditions are investigated to understand their effect on dynamic behavior of such a structure. In addition, multi-bay structures of such geometry with different stacking order are also taken into account. The composite frame structures are also modeled and simulated via ANSYS to verify the accuracy of the present study.
Kim, Kee Dong;Ko, Man Gi;Yi, Gyu Sei;Hwang, Byoung Kuk
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.14
no.5
s.60
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pp.577-591
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2002
This study presented a composite beam element for modeling the inelastic behavior of the steel beam, which has composite slabs in steel moment frames that are subjected to earthquake ground motions. The effects of composite slabs on the seismic behavior of steel moment frames were investigated. The element can be considered as a single-component series hinge type model whose predicted analytical results were consistent with the experimental results. Likewise, the element showed a significantly better performance than the bare steel beam elements. The composite model can also predict more accurately the local deformation demands and overall response of structural systems under earthquake loading compared with the bare steel models. Therefore, composite stabs can significantly affect locally and globally predicted responses of steel moment frames.
This paper presents a useful in-plane structural analysis of low-rise blind-bolted composite frames with semi-rigid joints. Analytical models were used to predict the moment-rotation relationship of the composite beam-to-column flush endplate joints that produced accurate and reliable results. The comparisons of the analytical model with test results in terms of the moment-rotation response verified the robustness and reliability of the model. Abaqus software was adopted to conduct frame analysis considering the material and geometrical non-linearities. The flexural behaviour of the composite frames was studied by applying the lateral loads incorporating wind and earthquake actions according to the Australian standards. A wide variety of frames with a varied number of bays and storeys was analysed to determine the bending moment envelopes under different load combinations. The design models were finalized that met the strength and serviceability limit state criteria. The results from the frame analysis suggest that among lateral loads, wind loads are more critical in Australia as compared to the earthquake loads. However, gravity loads alone govern the design as maximum sagging and hogging moments in the frames are produced as a result of the load combination with dead and live loads alone. This study provides a preliminary analysis and general understanding of the behaviour of low rise, semi-continuous frames subjected to lateral load characteristics of wind and earthquake conditions in Australia that can be applied in engineering practice.
Pendharkar, Umesh;Patel, K.A.;Chaudhary, Sandeep;Nagpal, A.K.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.3
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pp.547-563
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2015
Deflection in a beam of a composite frame is a serviceability design criterion. This paper presents a methodology for rapid prediction of long-term mid-span deflections of beams in composite frames subjected to service load. Neural networks have been developed to predict the inelastic mid-span deflections in beams of frames (typically for 20 years, considering cracking, and time effects, i.e., creep and shrinkage in concrete) from the elastic moments and elastic mid-span deflections (neglecting cracking, and time effects). These models can be used for frames with any number of bays and stories. The training, validating, and testing data sets for the neural networks are generated using a hybrid analytical-numerical procedure of analysis. Multilayered feed-forward networks have been developed using sigmoid function as an activation function and the back propagation-learning algorithm for training. The proposed neural networks are validated for an example frame of different number of spans and stories and the errors are shown to be small. Sensitivity studies are carried out using the developed neural networks. These studies show the influence of variations of input parameters on the output parameter. The neural networks can be used in every day design as they enable rapid prediction of inelastic mid-span deflections with reasonable accuracy for practical purposes and require computational effort which is a fraction of that required for the available methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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