Moment-thrust-curvatures ($M-P-{\Phi}$ curves) are fundamental quantities for detailed descriptions of basic properties such as stiffness and strength of a section under axial loads required for accurate computation of the deformations of reinforced concrete or composite columns. Currently, the finite-element-based methods adopting small fibers for analyzing a section are commonly used for generating the $M-P-{\Phi}$ curves and they require large amounts of computational time and effort. Further, the conventional numerical procedure using the force-control method might encounter divergence problems under high compression or tension. Therefore, this paper proposes a divergence-free approach, combining the use of the displacement-control and the Quasi-Newton scheme in the incremental-iterative procedure, for generating the $M-P-{\Phi}$ curves of arbitrary sections. An efficient method for computing the strength from concrete components is employed, where the stress integration is executed by layer-based algorithms. For easy modeling of residual stress, cross sections of structural steel components are meshed into fibers for strength resultants. The numerical procedure is elaborated in detail with flowcharts. Finally, extensive validating examples from previously published research are given for verifying the accuracy of the proposed method.
Mathison, Chris;Roy, Krishanu;Clifton, G. Charles;Ahmadi, Amin;Masood, Rehan;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.31
no.5
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pp.453-467
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2019
Portal frame structures, made up of cold-formed steel trusses, are increasingly being used for lightweight building construction. A novel pin-jointed moment connector, called the Howick Rivet Connector (HRC), was developed and tested previously in T-joints and truss assemblage to determine its reliable strength, stiffness and moment resisting capacity. This paper presents an experimental study on the HRC, in moment resisting cold-formed steel trusses. The connection method is devised where intersecting truss members are confined by a gusset connected by HRCs to create a rigid moment connection. In total, three large scale experiments were conducted to determine the elastic capacity and cyclic behaviour of the gusseted truss moment connection comprising HRC connectors. Theoretical failure loads were also calculated and compared against the experimental failure loads. Results show that the HRCs work effectively at carrying high shear loads between the members of the truss, enabling rigid behaviour to be developed and giving elastic behaviour without tilting up to a defined yield point. An extended gusset connection has been proposed to maximize the moment carrying capacity in a truss knee connection using the HRCs, in which they are aligned around the perimeter of the gusset to maximize the moment capacity and to increase the stability of the truss knee joint.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.306-316
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2002
This paper summarizes the results of full-scale cyclic seismic testing on four RBS (reduced beam section) steel moment connections. Key test variables were web bolting vs. welding and strong vs. medium PZ (panel zone) strength. The specimen with medium PZ strength was specially designed to mobilize energy dissipation from both the PZ and RBS region in a balanced way; the aim was to reduce the requirement of expensive doubler plates. Both strong and medium PZ specimens with web-welding were able to provide sufficient connection rotation capacity required of special moment frames, whereas specimens with web-bolting showed inferior performance due to the premature brittle fracture of the beam flange across the weld access hole. In contrast to the case of web-welded specimens, the web-bolted specimens could not transfer the actual plastic moment of the original (or unreduced) beam section to the column. If a quality welding for the beam-to-column joint is made as in this study, the fracture-prone area tends to move into the beam flange base metal within the weld access hole. Analytical study was also conducted to understand the observed base metal fracture from the engineering mechanics point of view.
Faridmehr, Iman;Osman, Mohd Hanim;Tahir, Mahmood Bin Md.;Nejad, Ali Farokhi;Hodjati, Reza
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.1
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pp.35-54
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2015
The performance of a newly generated steel connection known as SidePlateTM moment connection for seismic loading and progressive collapse phenomenon has been investigated in this paper. The seismic evaluation portion of the study included a thorough study on of interstory drift angles and flexural strengths based on 2010 AISC Seismic Provisions while the acceptance criteria provided in UFC 4-023-03 guideline to resist progressive collapse must be satisfied by the rotational capacity of the connections. The results showed that the SidePlate moment connection was capable of attaining adequate rotational capacity and developing full inelastic capacity of the connecting beam. Moreover, the proposed connection demonstrated an exceptional performance for keeping away the plastic hinges from the connection and exceeding interstory drift angle of 0.06 rad with no fracture developments in beam flange groove-welded joints. The test results indicated that this type of connection had strength, stiffness and ductility to be categorized as a rigid, full-strength and ductile connection.
LEE, Do Hyung;Kim, Taewan;Kim, Seung Re;Chu, Yurim;Kim, Hyun Sik
Journal of Industrial Technology
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v.38
no.1
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pp.21-27
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2018
In January 2018, the Ministry of Education published "Seismic design criteria for school buildings" and "Manual for seismic performance evaluation and retrofit of school buildings" to evaluate seismic performances through linear analysis. This paper evaluates the seismic performance of an old school building through the linear analysis. The target building was constructed in the late 1970s, and the seismic-force-resisting system was assumed to be a reinforced concrete moment frame with an un-reinforced masonry wall. As a result of the evaluation, the target building does not satisfy the 'life safety' level of 1.2 times the design spectrum. The average strength ratio of moment frames, an indicator of the level of seismic performance tends to be controlled by beams. However, through the Pohang earthquake, it was known that the short column effect caused by the partially infilled masonry wall caused shear failure of the columns in school buildings. Therefore, it is necessary to improve the linear analysis so that the column controls the average strength ratio of moment frames.
The widespread damage to steel Moment Resisting Frames (MRFs) in past major earthquakes have underscored the need to understand the nonlinear inelastic behaviour of such systems. To assess the seismic performance of steel MRF, it is essential to model the nonlinear force-deformation behaviour of beam to column joints. To determine the extent of inelasticity in a beam to column joint, nonlinear finite element analysis is generally carried out, which is computationally involved and demanding. In order to obviate the need of such elaborate analyses, a simplistic method to predict the force-deformation behaviour is required. In this study, a simple, mechanics driven, hand calculation method is proposed to obtain the forcedeformation behaviour of strong axis beam to column moment joints. The force-deformation behaviour for twenty-five interior and exterior beam to column joints, having column to beam strength ratios ranging from 1.2 to 10.99 and 2.4 to 22, respectively, have been obtained. The force-deformation behaviour predicted using the proposed method is compared with the results of finite element analyses. The results show that the proposed method predicts the force-deformation behaviour fairly accurately, with much lesser computational effort. Further the proposed method has been used to conduct Nonlinear Dynamic Time History Analyses of two benchmark frames; close correspondence of results obtained with published results establishes the usefulness and computational accuracy of the method.
Cored moment resisting stub column (CMSC) was previously developed by the features of adopting a core segment which remains mostly elastic and reduced column section (RCS) details around the ends to from a stable hysteretic behavior with large post-yield stiffness and considerable ductility. Several full-scale CMSC components with various length proportions of the RCSs with respect to overall lengths have been experimentally investigated through both far-field and near-fault cyclic loadings followed by fatigue tests. Test results verified that the proposed CMSC provided very ductile hysteretic responses with no strength degradation even beyond the occurrence of the local buckling at the side-segments. The effect of RCS lengths on the seismic performance of the CMSC was verified to relate with the levels of the deformation concentration at the member ends, the local buckling behavior and overall ductility. Estimation equations were established to notionally calculate the first-yield and ultimate strengths of the CMSC and validated by the measured responses. A numerical model of the CMSC was developed to accurately capture the hysteretic performance of the specimens, and was adopted to clarify the effect of the surrounding frame and to perform a parametric study to develop the estimation of the elastic stiffness.
A numerical analysis and experimental study were performed to investigate the behavior and strength of tube-gusset connection subjected to axial and lateral forces. To investigate the behavior of the connections, experiment was conducted by applying three directional loads. Local buckling and local plastic bending deformation of the connection were observed from the test. Analytical results were compared with test results for the limited cases. Primary interests here are the effect of eccentricity on the strength of the connection. To suggest a formula for the strength of tube-gusset connection, lateral forces were replaced with equivalent wall moment and eccenrtric vertical component force of lateral force. Ultimate strength formula for the each force was proposed. Finally, nondimensionalized ultimate strength interaction relationships between the wall moment of tube($M_w$), vertical axial force($P_v$), and eccentric vertical component of lateral force($P_e$) were formulated through parametric study.
Nasam S. Khater;Mahmoud H. El-Boghdadi;Nashwa M. Yossef
Steel and Composite Structures
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v.51
no.3
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pp.225-241
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2024
For several reasons, cold-formed steel (CFS) beams are often manufactured with holes. Nevertheless, because of holes, the reduction in the web area causes a decrease in the bending strength. Edge stiffeners are presently added around the holes to improve the bending strength of flexural members. Therefore, this research studies CFSZ-beams with stiffened holes and investigates how edge stiffener affects bending strength and failure modes. Nonlinear analysis was carried out using ABAQUS software and the developed finite element (FE) model was verified against tests from previous studies. Using the verified FE model, a parametric study of 104 FE models was conducted to investigate the influence of key parameters on bending strength of Z- sections. The results indicated that the effect of holes is less noticeable in very thin Z-sections. Moreover, adding edge stiffeners around the holes improves the flexural capacity of Z-beams and sometimes restores the original bending capacity. Because the computational techniques used to solve the CFS buckling mode with stiffened holes are still unclear, a numerical method using constrained and unconstrained finite strip method (CUFSM) software was proposed to predict the elastic distortional buckling moment for a wide variety of CFSZ-sections with stiffened holes. A numerical method with two procedures was applied and validated. Upon comparison, the numerical method accurately predicted the distortional buckling moment of CFS Z-sections with stiffened holes.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1996.04a
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pp.300-305
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1996
Reinforced concrete column is an effective structural element to take advantage of high strength concrete. This paper presents an experimental and analytical strength of high strength concrete rectangular tied column sections under eccentric loading. The test variables are concrete strength, steel ratios, slenderness and eccentricity. The analytical results of the ACI's rectangular stress block, Zia's modified rectangular stress block, and a trapezoid block are compared with experimentally obtained data. It may be concluded that the trapezoid stress block provided the most reasonable column section capacities for high strength concrete columns.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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