Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1998.10a
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pp.57-64
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1998
This paper presents the cyclic seismic performance of slip-critically designed, high-strength bolted-beam splice in steel moment frame. Before the moment connection reaching its plastic strength, unexpected premature slippage occurred at the slip-critically designed beam splice during the test. The experimentally observed frictional coefficients were as low as about 50% to 60% of nominal (code) value. Nevertheless, the bearing type behavior mobilized after the slippage transferred the increasing cyclic loads successfully, i.e., the consequence of slippage into bearing was not catastrophic to the connection behavior. The test result seems to indicate that the traditional beam splice design basing upon (bolt-hole deducted) effective flange area criterion may not be sufficient in developing the plastic strength of moment connections under severe earthquake loading. New procedure for achieving slip-critical beam splice design is proposed based on capacity design concept.
The effect of reinforcing concrete members with high strength steel bars with yield strength up to 600 MPa on the overall seismic behavior of concrete moment frames was studied experimentally and numerically. Three geometrically identical plane frame models with two bays and two stories, where one frame model was reinforced with hot rolled bars (HRB) with a nominal yield strength of 335 MPa and the other two by high strength steel bars with a nominal yield strength of 600 MPa, were tested under simulated earthquake action considering different axial load ratios to investigate the hysteretic behavior, ductility, strength and stiffness degradation, energy dissipation and plastic deformation characteristics. Test results indicate that utilizing high strength reinforcement can improve the structural resilience, reduce residual deformation and achieve favorable distribution pattern of plastic hinges on beams and columns. The frame models reinforced with normal and high strength steel bars have comparable overall deformation capacity. Compared with the frame model subjected to a low axial load ratio, the ones under a higher axial load ratio exhibit more plump hysteretic loops. The proved reliable finite element analysis software DIANA was used for the numerical simulation of the tests. The analytical results agree well with the experimental results.
Reliable and accurate method of computationally aided design processes of advanced thin walled structures in automotive industries are much essential for the efficient usage of smart materials, that possess higher energy absorption in dynamic compression loading. In this paper, most versatile components i.e., thin walled crash tubes with different geometrical profiles are introduced in view of mitigating the impact of varying cross section in crash behavior and energy absorption characteristics. Apart from the geometrical parameters such as length, diameter and thickness, the non-dimensionalized parameters of average forces which control the plastic bending moment for varying thickness has explored in view of quantifying its impact on the crashworthiness of the structure. The explicit finite element code ABAQUS is utilized to conduct the numerical studies to examine the effect of parametric modifications in crash behavior and energy absorption. Also the simulation results are experimentally validated. It is evident that the circular cross-sectional tubes are preferable as high collision impact shock absorbers due to their ability in withstanding axial and oblique impact loads effectively. Furthermore, the specific energy absorption (SEA), crash force efficiency (CFE), plastic bending moment, peak force responses and its impact for optimally tailoring a design to cater the crashworthiness requirements are investigated. The primary outcome of the study is to provide sufficient information on circular tubes for the use of energy absorbers where impact oblique loading is expected.
This paper describes an analytical study on the design approach of PC system with continuous connections at member ends. In multi-ribbed moment resisting slab (MRS) system, double tee members are connected continuously over inverted tee beams with the continuous reinforcements placed within topping concrete. Thus, negative moments are concentrated within the narrow connection area. In order to propose a design method, experimental results of the companion study were examined using detailed nonlinear analysis. Then nonlinear static analysis was used to evaluate the partial continuity effect and the moment redistribution mechanism. Material and cross sectional properties were obtained from experimental results of the companion study. Plastic hinge properties for nonlinear static analysis were modeled with cracking moment, nominal moment, corresponding member deformations, etc. The analysis results showed that a large amount of negative moment of MRS slab can be reduced by applying partial continuity and moment redistribution in MRS joint.
The flexural behavior of composite HSB600 and HSB800 I-girders under a positive moment was investigated using the material non-linear moment-curvature analysis method. Three representative composite sections with different ductility properties were selected as the baseline sections in this study. Using these baseline sections, the moment-curvature program was verified by comparing the flexural strength and the moment-curvature curve obtained from the program with those obtained using the non-linear FE analysis of ABAQUS. In the FE analysis, the composite girders were modeled three-dimensionally with flanges, the web, and the concrete slab as thin shell elements, and initial imperfections and residual stresses were imposed on the FE model. In the moment-curvature and FE analyses, the 28-day compressive strength of the concrete slab was assumed to be 30-50 MPa, and the HSB600 and HSB800 steels were modeled as elasto-plastic strain-hardening materials, with the concrete as the CEB-FIP model. The effects of the ductility ratio of the composite girder, the type of steel, the compressive strength of the concrete deck, and the location of the plastic neutral axis on the flexural characteristics were analyzed.
The aim of this work is to provide some insights into the elasto-plastic behaviour of plate girder web square and rectangular panels with centred and eccentric holes under both compression and in-plane bending moment. The numerical study was validated comparing the numerical results obtained for one simple steel plate configuration with the corresponding experimental results, obtained at the University of Padova, observing the influence of the initial out-of-plane imperfections on the force vs. displacement relationship and ultimate strength. Once validated the numerical approach, the effect of bending moment on the stability of the plate is studied and some differences with respect to the uniform compression load case are shown. The influence of dimension and position of the hole, the plate aspect ratio and the steel grade on elasto-plastic behaviour is observed. Some indications regarding the critical slenderness (at which transition from elastic to plastic collapse occurs) are given for square and rectangular plates with symmetric and eccentric holes having small, medium and large diameter.
Ductile fracture is one of the most common failure modes of steel beam-to-column connections in moment resisting frames. Most proposed evaluation methods of the plastic deformation capacity of a beam until ductile fracture are based on steel beam tests, where the material's yield strength/ratio, the beam's moment gradient, and loading history are the most important parameters. It is impossible and unpractical to cover all these parameters in real tests. Therefore, a new attempt to evaluate a beam's plastic deformation capacity through analysis is introduced in this paper. Another important issue is about the loading histories. Recent years, the effect on the structural component under long-duration ground motion has drawn great attentions. Steel beams tends to experience a large number of loading cycles with small amplitudes during long-duration earthquakes. However, current research often focuses on the beam's behavior under standard incremental loading protocols recommended by respective countries. In this paper, the plastic deformation capacity of steel beams subjected to long duration ground motions was evaluated through analytical methodology.
Well-designed steel moment connections will undergo local buckling before they exhaust their available rotation capacity, and inelastic post-buckling deformation plays a major role in defining the connection rotation capacity. An approximate analytical method to model strength degradation and failure of beam plastic hinges due to local buckling and estimation of the seismic rotation capacity of fully restrained beam-column connections in special steel moment-resisting frames under both monotonic and cyclic loading conditions is proposed in this study. This method is based on the plastic mechanism and a yield line plastic hinge (YLPH) model whose geometry is determined using the shapes of the buckled plastic hinges observed in experiments. The proposed YLPH model was developed for the improved WUF-W and RBS connections and validated in comparison with experimental data. The effects of the beam section geometric parameters on the rotation capacity were discussed in the companion paper (parametric studies).
The motivations of the application of shakedown analysis to the earthquake-resistant design of ductile moment-resisting steel structures are presented. The problems which must be solved with this application are also addressed. The illustrative results from a series of static and time history nonlinear analyses of one-bay three-story steel frame and the related discussions have shown that the incremental collapse may be the critical design criterion in case of earthquake loading. Based on the findings, it was concluded that the inelastic excursion mechanism for alternation load pattern, such as in earthquake, should be the sidesway mechanism of the whole structure for the efficient mobilization of the structural energy dissipating capacity and that the shakedown analysis technique can be used as a tool to ensure this mechanism.
A new method for designing moment resisting concrete frames failing in a global mode is presented in this paper. Starting from the analysis of the typical collapse mechanisms of frames subjected to horizontal forces, the method is based on the application of the kinematic theorem of plastic collapse. The beam section properties are assumed to be known quantities, because they are designed to resist vertical loads. As a consequence, the unknowns of the design problem are the column sections. They are determined by means of design conditions expressing that the kinematically admissible multiplier of the horizontal forces corresponding to the global mechanism has to be the smallest among all kinematically admissible multipliers. In addition, the proposed design method includes the influence of second-order effects. In particular, second-order effects can play an important role in the seismic design and can be accounted for by means of the mechanism equilibrium curves of the analysed collapse mechanism. The practical application of the proposed methodology is herein presented with reference to the design of a multi-storey frame whose pattern of yielding is validated by means of push-over analysis.
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