Observations from experiments and real fire indicate that restrained steel beams have better fire-resistant capability than isolated beams. Due to the effects of restraints, a steel beam in fire condition can undergo very large deflections and the run away damage may be avoided. In addition, axial forces will be induced with temperature increasing and play an important role on the behaviour of the restrained beam. The factors influencing the behavior of a restrained beam subjected to fire include the stiffness of axial and rotational restraints, the load type on the beam and the distribution of temperature in the cross-section of the beam, etc. In this paper, a simplified model is proposed to analyze the performance of restrained steel beams in fire condition. Based on an assumption of the deflection curve of the beam, the axial force, together with the strain and stress distributions in the beam, can be determined. By integrating the stress, the combined moment and force in the cross-section of the beam can be obtained. Then, through substituting the moment and axial force into the equilibrium equation, the behavior of the restrained beam in fire condition can be worked out. Furthermore, for the safety evaluation and repair after a fire, the behaviour of restrained beams during cooling should be understood. For a restrained beam experiencing very high temperatures, the strength of the steel will recover when temperature decreases, but the contraction force, which is produced by thermal contraction, will aggravate the tensile stresses in the beam. In this paper, the behaviour of the restrained beam in cooling phase is analyzed, and the effect of the contraction force is discussed.
Observations from experiments and real fire indicate that restrained steel beams have better fire-resistant capability than isolated beams. Due to the effects of restraints, a steel beam in fire condition can undergo very large deflections and the run away damage may be avoided. However disgusting damages may occur in the beam-to-column connections, which is considered to be mainly caused by the enormous axial tensile forces in steel beams resulted from temperature decreasing after fire dies out. Over the past ten years, the behaviour of restrained steel beams subjected to fire during heating has been experimentally and theoretically investigated in detail, and some simplified analytical approaches have been proposed. While the performance of restrained steel beams during cooling has not been so deeply studied. For the safety evaluation and repair of steel structures against fire, more detailed investigation on the behaviour of restrained steel beams subjected to fire during cooling is necessary. When the temperature decreases, the elastic modulus and yield strength of steel recover, and the contraction force in restrained steel beams will be produced. In this paper, an incremental method is proposed for analyzing the behaviour of restrained steel beams subjected to cooling. In each temperature decrement, the development of deformation and internal forces of a restrained beam is divided into four steps, in order to consider the effect of the recovery of the elastic modulus and strength of steel and the contraction force generated by temperature decrease in the beam respectively. At last, the proposed approach is validated by FE method.
The purpose of this study is to investigate how a fully restrained bolted beam splice affects the connection behavior as a column-tree connection in steel special moment frames under cyclic loading when located within the plastic hinge zone. The impacts of this attachment in protected zone are observed by using nonlinear finite element analyses. This type of splice connection is designed as slip-critical connection and thereby, the possible effects of slippage of the bolts due to a possible loss of pretension in the bolts are also investigated. The 3D models with solid elements that have been developed includes three types of connections which are the connection having fully restrained beam splice located in the plastic hinge location, the connection having fully restrained beam splice located out of the plastic hinge and the connection without beam splice. All connection models satisfied the requirement for the special moment frame connections providing sufficient flexural resistance, determined at column face stated in AISC 341-16. In the connection model having fully restrained beam splice located in the plastic hinge, due to the pretension loss in the bolts, the friction force on the contact surfaces is exceeded, resulting in a relative slip. The reduction in the energy dissipation capacity of the connection is observed to be insignificant. The possibility of the crack occurrence around the bolt holes closest to the column face is found to be higher for the splice connection within the protected zone.
Kim, Sun-Hee;Bang, Jung-Seok;Park, Young-Wook;Choi, Sung-Mo
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.24
no.1
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pp.109-117
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2012
This study seeks to devise a design application for a beam structure with partially restrained composite connection to a CFT column. A cost-efficient and stable component is applied by adjusting the stiffness ratio of the column connection through partially restrained composite connection. Based on a review of the structure's stability, it was confirmed that in the case of a low-rise building as a moment frame, resistance without bracing is feasible because stiffness increased by virtue of the partial restrained composite connection by composite action. In the case of a high-rise building, lateral resistance load of moment frame was approximately 10% when proper partial restrained rate was at around 60%. With considerations related to economic efficiency, the partial restriction effect of the beam component was significantly activated by the uniform load, but that of the beam activated by concentrated load was not significantly indicative. The analysis indicated that 60% partial restrained girder at the connection was the most economical in the case of uniform load. It also showed that end moments can be reduced by approximately 25%.
Most of previous studies on fire resistance of restrained steel beams neglected creep effect due to lack of suitable creep model. This paper presents a finite element model (FEM) for accessing the fire resistance of restrained high strength Q460 steel beams by taking high temperature Norton creep model of steel into consideration. The validation of the established model is verified by comparing the axial force and deflection of restrained beams obtained by finite element analysis with test results. In order to explore the creep effect on fire response of restrained Q460 steel beams, the thermal axial force and deflection of the beams are also analyzed excluding creep effect. Results from comparison infer that creep plays a crucial role in fire response of restrained steel beam and neglecting the effect of creep may lead to unsafe design. A set of parametric studies are accomplished by using the calibrated FEM to evaluate the governed factors influencing fire response of restrained Q460 steel beams. The parametric studies indicate that load level, rotational restraint stiffness, span-depth ratio, heating rate and temperature distribution pattern are key factors in determining fire resistance of restrained Q460 steel beam. A simplified design approach to determine the moment capacity of restrained Q460 steel beams is proposed based on the parametric studies by considering creep effect.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2000.05a
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pp.578-582
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2000
When the motion of vibrating structure is restrained due to the adjacent objects, the frequencies and the mode shapes of the structure change and its vibration characteristics becomes unpredictable, in general. Although the importance of the study on this type of vibration model increases in many engineering areas, most studies conducted so far are limited to the theoretical study on dynamic responses of the structure with the separation plate, including some experimental works. In the paper, both numerical analyses and experiments are conducted to study the chaotic vibration characteristics and the dynamic response of a fixed-free beam which has restrained motion at the free end by the separation plates. Results are presented for various magnetic forces and gaps between stops.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.275-280
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2003
This paper discusses on the dynamic responsed of an elastically restrained beam under a moving mass of constant velocity. Governing equations of motion taking into account of all inertia effects of the moving mass were derived by Galerkin's mode summation method, and Runge-Kutta integration method was applied to solve the differential equations. Numerical solutions for dynamic deflections of beams were obtained for the changes of the various parameters (spring stiffness, spring position, mass ratios and velocity ratios of the moving mass). In order to verify the numerical predictions for the dynamic response of the beam, experiments were conducted. Numerical solutions for the dynamic responses of the test beam have a good agreement with experimental ones.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.1
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pp.49-56
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2011
The strengthening effect of CFRP sheet and AFRP sheet with buckling-restrained brace for Beam-Column joints under constant axial and cyclic lateral loading is evaluated experimentally in this paper. Six test specimens were constructed. The main test parameters included the FRP Sheet and Buckling-restrained braces. The results of the tests were analyzed by focusing on their mode of failure, maximum load, ductility indexes, and energy dissipation capacity. Test results indicated that CFRP Sheet with the buckling-restrained brace system significantly increased the strength and stiffness of the specimen and that it was the most adequate retrofitting method.
The inelastic lateral-distortional buckling of doubly-symmetric hot-rolled I-section beam-columns subjected to a concentric axial force and uniform bending with elastic restraint which produce single curvature is investigated in this paper. The numerical model adopted in this paper is an energy-based method which leads to the incremental and iterative solution of a fourth-order eigenproblem, with very rapid solutions being obtained. The elastic restraint considered in this paper is full restraint against translation, but torsional restraint is permitted at the tension flange. Hitherto, a numerical method to analyse the elastic and inelastic lateral-distortional buckling of restrained or unrestrained beam-columns is unavailable. The prediction of the inelastic lateral-distortional buckling load obtained in this study is compared with the inelastic lateral-distortional buckling of restrained beams and the inelastic lateral-torsional buckling solution, by suppressing the out-of-plane web distortion, is published elsewhere and they agree reasonable well. The method is then extended to the lateral-distortional buckling of continuously restrained doubly symmetric I-sections to illustrate the effect of web distortion.
The growing use of unprotected or partially protected steelwork in buildings has caused a lively debate regarding the safety of this form of construction. A good deal of recent research has indicated that steel members have a substantial inherent ability to resist fire so that additional fire protection can be either reduced or eliminated completely. A performance based philosophy also extends the study into the effect of structural continuity and the performance of the whole structural totality. As part of the structural system, thermal expansion during the heating phase or contraction during the cooling phase in most beams is likely to be restrained by adjacent parts of the whole system or sub-frame assembly due to compartmentation. This has not been properly addressed before. This paper describes an experimental programme in which unprotected steel beams were tested under load while it is restrained between two columns and additional horizontal restraints with particular concern on the effect of catenary action in the beams when subjected to large deflection at very high temperature. This paper also presents a three-dimensional mathematical modelling, based on the finite element method, of the series of fire tests on the part-frame. The complete analysis starts with an evaluation of temperature distribution in the structure at various time levels. It is followed by a detail 3-D finite element analysis on its structural response as a result of the changing temperature distribution. The principal part of the analysis makes use of an existing finite element package FEAST. The effect of columns being fire-protected and the beam being axially restrained has been modelled adequately in terms of their thermal and structural responses. The consequence of the beam being restrained is that the axial force in the restrained beam starts as a compression, which increases gradually up to a point when the material has deteriorated to such a level that the beam deflects excessively. The axial compression force drops rapidly and changes into a tension force leading to a catenary action, which slows down the beam deflection from running away. Design engineers will be benefited with the consideration of the catenary action.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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