The calculation of fire resistance for a composite structural element comprises the calculation of the temperature within its cross-section and of the load bearing capacity, considering the evolution of the steel and concrete mechanical properties, function of the temperature. The paper proposes a method to calculate the bending capacity under ISO fire, for Slim Floor systems using asymmetric steel beams, with a wider lower flange or a narrow upper flange welded onto a half hot-rolled profile. The temperatures in the cross-section are evaluated by means of empirical formulas determined through a parametrical analysis, performed with the special purpose non-linear finite element program SAFIR. Considering these formulas, the bending capacity may be calculated, using an analytical approach to determine the plastic bending moment, for different fire resistance demands. The results obtained with this simplified method are validated through numerical analysis.
To ensure that fire induced collapse of a building is prevented it is important to understand the sequence of events that can lead to this event. In this paper, the initiation of collapse mechanisms of generic a multi-storey steel frame subjected to vertical and horizontal travelling fires are analysed computationally by tracking the formation of plastic hinges in the frame and generation of fire induced loads. Both uniform and travelling fires are considered. In total 58 different cases are analysed using finite element software LS-DYNA. For the frame examined with a simple and generic structural arrangement and higher applied fire protection to the columns, the results indicate that collapse mechanisms for singe floor and multiple floor fires can be each split into two main groups. For single floor fires (taking place in the upper floors of the frame (Group S1)), collapse is initiated by the pull-in of external columns when heated beams in end bays go into catenary action. For single floor fires occurring on the lower floors(Group S2), failure is initiated (i.e. ultimate strain of the material is exceeded) after the local beam collapse. Failure in both groups for single floor fires is governed by the generation of high loads due to restrained thermal expansion and the loss of material strength. For multiple floor fires with a low number of fire floors (1 to 3) - Group M1, failure is dominated by the loss of material strength and collapse is mainly initiated by the pull-in of external columns. For the cases with a larger number of fire floors (5 to 10) - Group M2, failure is dominated by thermal expansion and collapse is mainly initiated by swaying of the frame to the side of fire origin. The results show that for the investigated frame initiation of collapse mechanisms are affected by the fire type, the number of fire floors, and the location of the fire floor. The findings of this study could be of use to designers of buildings when developing fire protection strategies for steel framed buildings where the potential for a multifloor fire exists.
A genetic algorithm-based minimum weight design method is presented for steel frames containing composite beams, semi-rigid connections and column bases. Genetic Algorithms carry out optimum steel frames by selecting suitable profile sections from a specified list including 128 W sections taken from American Institute of Steel Construction (AISC). The displacement and stress constraints obeying AISC Allowable Stress Design (ASD) specification and geometric (size) constraints are incorporated in the optimization process. Optimum designs of three different plane frames with semi-rigid beam-to-column and column-to-base plate connections are carried out first without considering concrete slab effects on floor beams in finite element analyses. The same optimization procedures are then repeated for the case of frames with composite beams. A program is coded in MATLAB for all optimization procedures. Results obtained from the examples show the applicability and robustness of the method. Moreover, it is proved that consideration of the contribution of concrete on the behavior of the floor beams enables a lighter and more economical design for steel frames with semi-rigid connections and column bases.
Proceedings of the Korean Institute of Building Construction Conference
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2011.11a
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pp.83-84
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2011
This study provides floor vibration analysis for a factory constructed by ES-beam using field measured acceleration data. The natural frequencies of the first two modes of floor are extracted from measured data. With this information, a system identification has been performed to produce a numerical model representing existing floor. The peak magnitudes of acceleration for one man walking heel drop load from experiment and numerical model are analyzed using ISO vibration criteria and AIJ vibration performance criteria. The results show that there is no problem in use of ES-beam.
Kim, Hyun-Sil;Kim, Jae-Seung;Kang, Hyun-Ju;Kim, Bong-Ki;Kim, Sang-Ryul
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.1417-1420
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2006
In this paper, floor impact is studied by using 1-D wave model and predicted insertion loss is compared to the measurements done in the mock-up. A mock-up is built by using 6t steel plate, and two identical cabins are made where 25t or 50t panel is used to construct wall and ceiling inside the steel structure. Various floating floor structures are studied, in which mineral wool thickness, height, and stiffness changes are investigated. It is shown that the wave model and measurements are in good agreements in general, although there occur significant discrepancies in the low frequency range below 200 Hz.
The paper presents the cost optimization of composite floor trusses composed from a reinforced concrete slab of constant depth and steel trusses consisting of hot rolled channel sections. The optimization was performed by the nonlinear programming approach, NLP. Accordingly, a NLP optimization model for composite floor trusses was developed. An accurate objective function of the manufacturing material, power and labour costs was proposed to be defined for the optimization. Alongside the costs, the objective function also considers the fabrication times, and the electrical power and material consumption. Composite trusses were optimized according to Eurocode 4 for the conditions of both the ultimate and the serviceability limit states. A numerical example of the optimization of the composite truss system presented at the end of the paper demonstrates the applicability of the proposed approach.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.1
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pp.27-35
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2014
In this study, an improved energy-based nonlinear static analysis method are proposed to be used for more accurate evaluation of progressive collapse potential of steel moment frames by reflecting the contribution of a double-span floor slab. To this end, the behavior of the double-span floor slab was first investigated by performing material and geometric nonlinear finite element analysis. A simplified energy-absorbed analytical model by idealizing the deformed shape of the double-span floor slab was developed. It is shown that the proposed model can easily be utilized for modeling the axial tensile force and strain energy response of the double-span floor slab under the column-removal scenario.
Han, Chun;Li, Qingning;Jiang, Weishan;Yin, Junhong;Yan, Lei
Steel and Composite Structures
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v.20
no.2
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pp.431-445
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2016
Seismic behavior of new composite structural system with a fabricated floor was studied. A two-bay and three-story structural model with the scale ratio of 1/4 was consequently designed. Based on the proposed model, multiple factors including energy dissipation capacity, stiffness degradation and deformation performance were analyzed through equivalent single degree of freedom pseudo-dynamic test with different earthquake levels. The results show that, structural integrity as well as the effective transmission of the horizontal force can be ensured by additional X bracing at the bottom of the rigidity of the floor without concrete topping. It is proved that the cast-in-place floor in areas with high seismic intensity can be replaced by the prefabricated floor without pouring surface layer. The results provide a reliable theoretical basis for the seismic design of the similar structural systems in engineering application.
Vibration isolators and anti-vibration mounts are ideal, for example, in creating floating floors for gymnasiums, or performance spaces. However, it is well-known that there are great difficulties on isolating vibration transmission in structural steel components, especially steel floors. Besides, the selection of inertia blocks, which are usually used by engineers as an effective vibration control measure, is usually based on crude methods or the experience of the engineers. Thus, no simple method or indices have been available for assessing the effect of inertia blocks on vibration isolation or stability of vibratory systems. Thus, the aims of this research are to provide further background description using a FE model and present and implement a modal approach, that was validated experimentally, the latter assisting in providing improved understanding of the vibration transmission phenomenon in steel buildings excited by a velocity-source type of excitation. A better visualization of the mean-square velocity distribution in the frequency domain is presented using the concept of modal expansion. Finally, the variation of the mean-square velocity with frequency, whilst varying mass and/or stiffness of the coupled system, is presented.
Hosseinpour, Emad;Baharom, Shahrizan;Badaruzzaman, Wan Hamidon W.;Shariati, Mahdi;Jalali, Abdolrahim
Steel and Composite Structures
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v.26
no.4
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pp.485-499
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2018
In this paper, a hollow steel tube (HST) shear connector is proposed for use in a slim-floor system. The HST welded to a perforated steel beam web and embedded in concrete slab. A total of 10 push-out tests were conducted under static loading to investigate the mechanical behavior of the proposed HST connector. The variables were the shapes (circular, square and rectangular) and sizes of hollow steel tubes, and the compressive strength of the concrete. The failure mode was recorded as: concrete slab compressive failure under the steel tube and concrete tensile splitting failure, where no failure occurred in the HST. Test results show that the square shape HST in filled via concrete strength 40 MPa carried the highest shear load value, showing three times more than the reference specimens. It also recorded less slip behavior, and less compressive failure mode in concrete underneath the square hollow connector in comparison with the circular and rectangular HST connectors in both concrete strengths. The rectangular HST shows a 20% higher shear resistance with a longer width in the load direction in comparison with that in the smaller dimension. The energy absorption capacity values showed 23% and 18% improvements with the square HST rather than a headed shear stud when embedded in concrete strengths of 25 MPa and 40 MPa, respectively. Moreover, an analytical method was proposed and predicts the shear resistance of the HST shear connectors with a standard deviation of 0.14 considering the shape and size of the connectors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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