This paper proposes a model for analysing the non-linear behaviour of steel concrete composite beams prestressed by external slipping cables, taking into account the deformability of the interface shear connection. By assuming a suitable admissible displacement field for the composite beam, the balance condition is obtained by the virtual work principle. The solution is numerically achieved by approximating the unknown displacement functions as series of shape functions according to the Ritz method. The model is applied to real cases by showing the consequences of different connection levels between the concrete slab and the steel beam. Particular attention is focused on the limited ductility of the shear connection that may be the cause of premature failure of the composite girder.
The paper presents a model for analysing the shear-lag effect on the slab of twin-girder composite decks subjected to static actions, support settlements and concrete shrinkage, which are the main actions of interest in composite bridge design. The proposed model includes concrete creep behaviour and shear connection flexibility. The shear-lag in the slab is accounted for by means of a new warping function. The considered actions are then applied to a realistic bridge deck and their effects are discussed. The proposed method is utilised to determine the slab effective widths for three different width-length ratios of the deck. Finally, a comparison between the results obtained with the Eurocode EC4-2 and those obtained with the proposed model is performed.
The postbeam joint connection of the existing steel structure moment flexible frame system did not produce sufficient seismic resistance during the earthquakes in Northridge and Kobe, and it sustained brittle fracturing on the joint connection. This study was performed to execute the high-tensile bolt share connection of H-beams web and the full-scale experiment as a parameter of the existing reinforcement of H-flange rib, by making the shape of the existing joint connection. This experiment was performed to determine the extent of the decrease of the number of high-tensile bolts and how to improve workability of the two-phase shear connection of web beam. In addition, this study was performed to enhance the seismic resistant capacity through the enforcement of rib plates. As a result of the experiment of two-phase shear connection of H-beam web and of joint connection to be reinforced by rib plates, the results of this study showed that the initial stiffness, energy-dissipation capacity, and rotational capacity of plasticity was higher than the existing joint connection. As to the rate of increasing the strength and deformation capacity, there were differences between the tension side and compression side because of the position of shear tap. However, as a whole, they have shown excellent seismic resistant capacity. Also, all the test subjects exceeded 4% (rate of delamination), about 0.029 rad (total plastic capacity), and about 130% (maximum strength of joint connection) of fully plastic moment for the original section. Accordingly, this study was considered as it would be available in the design more than the intermediate-level of moment flexible frame.
This paper presents a novel analytical formulation for the analysis of composite beams with partial shear interaction stiffened by a bolted longitudinal plate accounting for time effects, such as creep and shrinkage. The model is derived by means of the principle of virtual work using a displacement-based formulation. The particularity of this approach is that the partial interaction behaviour is assumed to exist between the top slab and the joist as well as between the joist and the bolted longitudinal stiffening plate, therefore leading to a three-layered structural representation. For this purpose, a novel finite element is derived and presented. Its accuracy is validated based on short-and long-term analyses for the particular cases of full shear interaction and partial shear interaction of two layers for which solutions in closed form are available in the literature. A parametric study is carried out considering different stiffening arrangements to investigate the influence on the short-and long-term behaviour of the composite beam of the shear connection stiffness between the concrete slab and the steel joist, the stiffness of the plate-to-beam connection, the properties of the longitudinal plate and the concrete properties. The values of the deflection obtained from the finite element simulations are compared against those calculated using the effective flexural rigidity in accordance with EC5 guidelines for the behaviour of elastic multi-layered beams with flexible connection and it is shown how the latter well predicts the structural response. The proposed numerical examples highlight the ease of use of the proposed approach in determining the effectiveness of different retrofitting solutions at service conditions.
The damage suffered by steel structures during the Northridge (1994) and Kobe (1995) earthquakes indicates that the fully restrained (FR) connections in steel frames did not behave as expected. Consequently, researchers began studying other possibilities, including making the connections more flexible, to reduce the risk of damage from seismic loading. Recent experimental and analytical investigations pointed out that the seismic response of steel frames with partially restrained (PR) connections might be superior to that of similar frames with FR connections since the energy dissipation at PR connections could be significant. This beneficial effect has not yet been fully quantified analytically. Thus, the dissipation of energy at PR connections needs to be considered in analytical evaluations, in addition to the dissipation of energy due to viscous damping and at plastic hinges (if they form). An algorithm is developed and verified by the authors to estimate the nonlinear time-domain dynamic response of steel frames with PR connections. The verified algorithm is then used to quantify the major sources of energy dissipation and their effect on the overall structural response in terms of the maximum base shear and the maximum top displacement. The results indicate that the dissipation of energy at PR connections is comparable to that dissipated by viscous damping and at plastic hinges. In general, the maximum total base shear significantly increases with an increase in the connection stiffness. On the other hand, the maximum top lateral displacement $U_{max}$ does not always increase as the connection stiffness decreases. Energy dissipation is considerably influenced by the stiffness of a connection, defined in terms of the T ratio, i.e., the ratio of the moment the connection would have to carry according to beam line theory (Disque 1964) and the fixed end moment of the girder. A connection with a T ratio of at least 0.9 is considered to be fully restrained. The energy dissipation behavior may be quite different for a frame with FR connections with a T ratio of 1.0 compared to when the T ratio is 0.9. Thus, for nonlinear seismic analysis, a T ratio of at least 0.9 should not be considered to be an FR connection. The study quantitatively confirms the general observations made in experimental results for frames with PR connections. Proper consideration of the PR connection stiffness and other dynamic properties are essential to predict dynamic behavior, no matter how difficult the analysis procedure becomes. Any simplified approach may need to be calibrated using this type of detailed analytical study.
Integral bridges are typically designed with flexible foundations that include one row of piles. The construction of integral bridges solves difficulties due to the maintenance of expansion joints and bearings during serviceability. It causes integral bridges to become more economic comparing with conventional bridges. Research has been focused not only to enhance the seismic performance of newly designed bridges, but also to develop retrofit strategies for existing ones. The local performance of the pile to abutment connection will have a major effect on the performance of the structure and the embedment length of pile inside the abutment has a key role to provide shear and flexural resistance of pile-abutment connections. In this paper, a simple method was developed to estimate the initial value of embedment length of the pile for retrofitting of specimens. Four specimens of pile-abutment connections were constructed with different embedment lengths of pile inside the abutment to evaluate their performances. The results of the experimentation in conjunction with numerical and analytical studies showed that retrofitting pile-abutment connections with CFRP wraps increased the strength of the connection up to 86%. Also, designed connections with the proposed method had sufficient resistance against lateral load.
A single plate connection(SPC) consists of a plate welded to the columns and bolts connected to the beam web. The SPC is widely used for a simple shear connection of steel structure because it is easy-to-fabricated, easy-to-installed and economical. The conventional SPC is used for 2 to 12 bolts in a single vertical row. It is designed to limit the plate thickness by bolt diameter to obtain flexible and ductile connections. The design strength for eccentric shear shall be the lesser of the shear strength of bolts or bearing strength of plate and when the design strength is decided by edge distance failure, the results can be very conservative. Although the research on special solution for 'weak-plate/strong-bolt' model with 2 to 4 bolts has been conducted by L. S. Muir, and W. A. Thonton, 2004, study on generalized design procedures did not conduct. This study proposed design procedure for evaluation of the design strength of eccentric shear bolt groups on a single plate connection based on the actual edge distance and the direction of bolt reaction forces by using elastic vector method(EVM) and instantaneous center of rotation method(ICM).
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.1
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pp.56-64
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2002
Thermally induced vibration response of composite thin-walled beams is investigated in this paper. The flexible spacecraft appendages modeled as thin-walled beam incorporates a number of nonclassical effects of transverse shear, primary and secondary warping, rotary inertia and anisotropy of constitute materials. Thermally induced vibration responds characteristics of a composite thin walled beam exhibiting the circumferantially uniform system(CUS) configuration are exploited in connection with the structural flapwise bending lagwise bending coupling resulting from directioal properties of fiber reinforced composite materials and ply stacking sequence. A coupled thermal structure gradient is investigated.
Min, Byoung Cheol;Min, Dong Ju;Jung, Myung Rag;Kim, Moon Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.1A
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pp.9-18
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2011
Generally the connection of structural members is assumed as hinge, rigid and semi-rigid connections. The exact tangent stiffness matrix of a semi-rigid frame element is newly derived using the stability functions considering shear deformations. Also, linearized elastic- and geometric-stiffness matrices of shear deformable semi-rigid frame are newly proposed. For the exact stiffness matrix, an accurate displacement field is introduced by equilibrium equation for beam-column under the bending and the axial forces. Also, stability functions considering sway deformation and force-displacement relations with elastic rotational spring on ends are defined. In order to illustrate the accuracy of this study, various numerical examples are presented and compared with other researcher's results. Lastly, shear deformation and semi-rigid effects on buckling behaviors of structure are parametrically investigated.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.399-406
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2001
Thermally induced vibration response of composite thin walled beams is investigated. The thin-walled beam model incorporates a number of nonclassical effects of transverse shear, primary and secondary warping, rotary inertia and anisotropy of constituent materials. Thermally induced vibration response characteristics of a composite thin walled beam exhibiting the circumferentially uniform system(CUS) configuration are exploited in connection with the structural bending-torsion coupling resulting from directional properties of fiber reinforced composite materials and from ply stacking sequence. A coupled thermal structure analysis that includes the effects of structural deformations on heating and temperature gradient is investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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