The use of high-strength steels in construction of highrise and mega building structures can bring about many technological advantages from fabrication to erection. However, key design criteria such as local and lateral stability in current steel design specifications were developed based on tests of ordinary steels which have stress-strain characteristics very different from that of high strength steels. A series of tests on 800 MPa tensile strength steel (HSA800) members are summarized in this paper which were conducted to investigate the appropriateness of extrapolating current ordinary-steel based design criteria to high strength steels. 800 MPa I-shape beam specimens designed according to flange local buckling (FLB) criteria of the AISC Specification developed a sufficient strength for elastic design and a marginal rotation capacity for plastic design. It is shown that, without introducing distinct and significant yield plateau to the stress-strain property of high-strength steel, it is inherently difficult to achieve a high rotation capacity even if all the current stability limits are met. 800 MPa I-shape beam specimens with both low and high warping rigidity exhibited sufficient lateral torsional buckling (LTB) strength. HSA800 short-column specimens with various edge restraint exhibited sufficient local buckling strength under uniform compression and generally outperformed ordinary steel specimens. The experimental P-M strength was much higher than the AISC nominal P-M strength. The measured residual stresses indicated that the impact of residual stress on inelastic buckling of high-strength steel is less. Cyclic seismic test results showed that HSA800 members have the potential to be used as non-ductile members or members with limited ductility demand in seismic load resisting systems. Finally, recent applications of 800 MPa high strength steel to highrise and mega building structures in Korea are briefly presented.
Kim, Dal Sung;Kim, Dong Seong;Kim, Kee Dong;Ko, Man Gi
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.2A
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pp.233-242
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2008
This study presents a non-prismatic beam element for modeling the elastic and inelastic behavior of steel beams, which have the post-Northridge(cover plate) connections in steel moment frames that are subjected to earthquake ground motions. The elastic stiffness matrix for non-prismatric members with increased beam section (IBS) connection is in the closed-form. The plasticity model is of a discrete type and is composed of a series of nonlinear hinges connected by rigid links. The hardening rules can model the inelastic behavior for monotonic and random cyclic loading, and the effects of local buckling. Moreover the determination of yield surfaces, stiffness parameters, and hardening (or softening) rule parameters for IBS beam element were described. Analytical results of the IBS beam element show good correlation with test data and FEM results.
Many study have been performed to describe the elastic and inelastic behavior of H-shaped beams with web openings that generally concentrated on the monotonic loading condition and concentric web opening. The findings of the studies led Darwin to propose formulas for the design of beams with web openings considering local buckling. While the formulas are simple and useful in real situation, more studies arc needed on their cyclic loading condition. In this experimental study, 12 H-shaped beams with web openings under cyclic loading condition were investigated. The dimension criteria based on the formulas proposed by Darwin were examined. The suitability of existing design formulas and the effects of plastic hinges on beams with web openings and of local buckling around web openings on the beam strength under cyclic loading were also studied. This was done by observing their behavior with various dimensional openings, eccentric per cent, and stiffeners.
There are many restrictions in the application of high-strength HSSs, including yield strength and yield ratio for the 600-MPa steel. The AISC and Canadian codes recommend that the yield strength and yield ratio of HSS members be 360 MPa and 80%, respectively. It is important to understand the true buckling behaviors of HSSs using high-strength steel at the limit states. There are many experimental data regarding the rectangular HSSs, and the circular ones are not enough for high-strength steel. Therefore, this study was conducted to create a better understanding of the buckling behaviors of the 600- and 400-MPa steels based on the results of the finite-element analysis that was done before the experiment. To understand the structural behaviors of the aforementioned steels, the width-to-thickness ratios, the angle of the web members, the yield strength, and the gap of the web members were selected as the main parameters in this study, and ABAQUS, a general finite-element program, was used.As a result, the compression web member reached elastic buckling in the 600-MPa steel and inelastic buckling in the 400-MPa steel. A brittle fracture occurred in the case where the yield ratio was greater than 80%. At the same time, it was found that the limit strength determined via FEM analysis had a higher value compared to the code evaluation with the variation of the width-to-thickness ratio in the main code member. The change in the connection load in high-strength steels was not identified by the other factors.
According to the capacity design concept underlying current steel seimsic provisions, the braces in concentrically braced frames should dissipate seismic energy through cyclic tension yielding and compression buckling. On the other hand, the beams and the columns in the braced bay should remain elastic for gravity load actions and additional column axial forces resulting from the brace buckling and yielding. However, due to the difficulty in accumulating the yielding and buckling-induced column forces from different stories, empirical and often conservative approaches have been used in design practice. Recently a totally different approach was proposed by Cho, Lee, and Kim (2011) for the prediction of column axial forces in inverted V-braced frames by explicitly considering brace buckling. The idea proposed in their study is extended to X-braced seismic frames which have structural member configurations and load transfer mechanism different from those of inverted V-braced frames. Especially, a more efficient rule is proposed in combining multi-mode effects on the column axial forces by using the modal-mass based weighting factor. The four methods proposed in this study are evaluated based on extensive inelastic dynamic analysis results.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.6
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pp.2169-2179
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2013
The compressive strengths of simply supported columns may be significantly increased by reinforcing them with an assemblage of cross-arms and stayed struts connecting both ends of the columns and the cross-arm members. The purpose of the stayed struts and cross-arms is to introduce partial restraints against translation and rotation, thereby decreasing the effective buckling length of the column. In this study, buckling strengths of the assembled column system have been quantitatively evaluated from the theoretical methods based on both the equivalent spring model and the stiffness matrix formulation. And the results were compared with those from elastic/inelastic analysis using a finite element analysis package program, ABAQUS, for verification purpose. Expected compressive strength curves have been proposed for the assembled column system as a function of slenderness ratio of the simply supported column.
According to the capacity design concept which forms the basis of the current steel seismic codes, the braces in concentrically braced frames (CBFs) should dissipate seismic energy through cyclic tension yielding and cyclic compression buckling while the beams and the columns should remain elastic. Brace buckling in inverted V-braced frames induces unbalanced vertical forces which, in turn, impose the additional beam moments and column axial forces. However, due to difficulty in predicting the location of buckling stories, the most conservative approach implied in the design code is to estimate the column axial forces by adding all the unbalanced vertical forces in the upper stories. One alternative approach, less conservative and recommended by the current code, is to estimate the column axial forces based on the amplified seismic load expected at the mechanism-level response. Both are either too conservative or lacking technical foundation. In this paper, three combination rules for a rational estimation of the column axial forces were proposed. The idea central to the three methods is to detect the stories of high buckling potential based on pushover analysis and dynamic behavior. The unbalanced vertical forces in the stories detected as high buckling potential are summed in a linear manner while those in other stories are combined by following the SRSS(square root of sum of squares) rule. The accuracy and design advantage of the three methods were validated by comparing extensive inelastic dynamic analysis results. The mode-shape based method(MSBM), which is both simple and accurate, is recommended as the method of choice for practicing engineers among the three.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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