Cassiano, David;D'Aniello, Mario;Rebelo, Carlos;Landolfo, Raffaele;da Silva, Luis S.
Steel and Composite Structures
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제21권3호
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pp.479-500
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2016
Seismic design criteria allow enhancing the structural ductility and controlling the damage distribution. Therefore, detailing rules and design requirements given by current seismic codes might be also beneficial to improve the structural robustness. In this paper a comprehensive parametric study devoted to quantifying the effectiveness of seismic detailing for steel Moment Resisting Frames (MRF) in limiting the progressive collapse under column loss scenarios is presented and discussed. The overall structural performance was analysed through nonlinear static and dynamic analyses. With this regard the following cases were examined: (i) MRF structures designed for wind actions according to Eurocode 1; (ii) MRF structures designed for seismic actions according to Eurocode 8. The investigated parameters were (i) the number of storeys; (ii) the interstorey height; (iii) the span length; (iv) the building plan layout; and (v) the column loss scenario. Results show that structures designed according to capacity design principles are less robust than wind designed ones, provided that the connections have the same capacity threshold in both cases. In addition, the numerical outcomes show that both the number of elements above the removed column and stiffness of beams are the key parameters in arresting progressive collapse.
The fabric braided braking hose that delivers the driver's braking force to brake cylinder undergoes the large deformation cyclic motion according to the steering and bump/rebound motions of vehicle. The cyclic large deformation of braking hose may give rise to two critical problems: the interference with other adjacent vehicle parts and the micro cracking stemming from the fatigue damage accumulation. Hence, both the hose deformation and the fatigue damage become the critical issue in the design of braking hose. In this context, this paper introduces a multi-objective optimization method for minimizing the both quantities. The total length of hose and the helix angles of fabric braided composite layers are chosen for the design variables, and the maximum hose deformation and the critical fatigue life cycle are defined by the individual single objective functions. The trade-off between two single objective functions is made by introducing the weighting factors. The proposed optimization method is validated and the improvement of initial hose design is examined through the benchmark simulation. Furthermore, the dependence of optimum solutions on the weighting factors is also investigated.
This study improves the formability in fine-blanking the lock plate of car seat belts using a low carbon steel(SM35C) plate. The optimal die design for the forming process is proposed using rules for process planning based on theories and field experiences. The optimal design is analyzed using commercial finite element software in order to solve the fracture problems in the extrusion process. Through the improved layout based on the FEM results, the fracture of the extruded part and the roll over problem are solved. Furthermore, it is demonstrated through the shown from experiments that the extruded part does not break in the modified die.
A method that determines the minimum stiffness of baracing to achieve non-sway buckling conditions at a given story level of a multi-column elastic frame is proposed. Condensed equations that evaluate the required minimum stiffness of the lateral and torsional bracing are derived using the classical stability functions. The proposed method is applicable to elastic framed structures with rigid, semirigid, and simple connections. It is shown that the minimum stiffness of the bracing required by a multi-column system depends on: 1) the plan layout of the columns; 2) the variation in height and cross sectional properties among the columns; 3) the applied axial load pattern on the columns; 4) the lack of symmetry in the loading pattern, column layout, column sizes and heights that cause torsion-sway and its effects on the flexural bucking capacity; and 5) the flexural and torsional end restrains of the columns. The proposed method is limited to elastic framed structures with columns of doubly symmetrical cross section with their principal axes parallel to the global axes. However, it can be applied to inelastic structures when the nonlinear behavior is concentrated at the end connections. The effects of axial deformations in beams and columns are neglected. Three examples are presented in detail to show the effectiveness of the proposed method.
This study presents conceptual information of newly optimized shapes and connectivity of the so-called outrigger truss system for modern tall buildings that resists lateral loads induced by wind and earthquake forces. In practice, the outrigger truss consists of triangular or Vierendeel types to stiffen tall buildings, and the decision of outrigger design has been qualitatively achieved by only engineers' experience and intuition, including information of structural behaviors, although outrigger shapes and the member's connectivity absolutely affect building stiffness, the input of material, construction ability and so on. Therefore the design of outrigger trusses needs to be measured and determined according to scientific proofs like reliable optimal design tools. In this study, at first the shape and connectivity of an outrigger truss system are visually evaluated by using a conceptual design tool of the classical topology optimization method, and then are quantitatively investigated with respect to a structural safety as stiffness, an economical aspect as material quantity, and construction characteristics as the number of member connection. Numerical applications are studied to verify the effectiveness of the proposed design process to generate a new shape and connectivity of the outrigger for both static and dynamic responses.
Presented are experimental results from 24 full-scale push test specimens to study the behaviour of composite beams with trapezoidal profiled sheeting laid transverse to the beam axis. The tests use a single-sided horizontal push test setup and are divided into two series. First series contained shear loading only and the second had normal load besides shear load. Four parameters are studied: the effect of wire mesh position and number of its layers, placing a reinforcing bar at the bottom flange of the deck, normal load and its position, and shear stud layout. The results indicate that positioning mesh on top of the deck flange or 30 mm from top of the concrete slab does not affect the stud's strength and ductility. Thus, existing industry practice of locating the mesh at a nominal cover from top of the concrete slab and Eurocode 4 requirement of placing mesh 30 mm below the stud's head are both acceptable. Double mesh layer resulted in 17% increase in stud strength for push tests with single stud per rib. Placing a T16 bar at the bottom of the deck rib did not affect shear stud behaviour. The normal load resulted in 40% and 23% increase in stud strength for single and double studs per rib. Use of studs only in the middle three ribs out of five increased the strength by 23% compared to the layout with studs in first four ribs. Eurocode 4 and Johnson and Yuan equations predicted well the stud strength for single stud/rib tests without normal load, with estimations within 10% of the characteristic experimental load. These equations highly under-estimated the stud capacity, by about 40-50%, for tests with normal load. AISC 360-16 generally over-estimated the stud capacity, except for single stud/rib push tests with normal load. Nellinger equations precisely predicted the stud resistance for push tests with normal load, with ratio of experimental over predicted load as 0.99 and coefficient of variation of about 8%. But, Nellinger method over-estimated the stud capacity by about 20% in push tests with single studs without normal load.
Gluhovic, Nina;Markovic, Zlatko;Spremic, Milan;Pavlovic, Marko
Steel and Composite Structures
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제36권4호
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pp.369-381
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2020
Nowadays, in prefabricated composite construction, composite action between steel beam and concrete slab is often achieved with positioning of shear connectors in envisaged openings of concrete slabs. Prefabricated concrete slabs are used for composite steel-concrete buildings and bridges, both for the construction of new structures and for renovation of existing ones, significantly reducing construction time. Development of different types of shear connectors represent alternative solution to the traditionally used headed studs, considering their shear resistance, stiffness and ductility. New types of shear connectors tend to reduce the construction time and overall construction cost. Mechanically fastened shear connectors represent a viable alternative to headed studs, considering their fast installation process and shear resistance. X-HVB shear connectors are attached to the steel beam with two cartridge fired pins. The first step towards extensive implementation of X-HVB shear connectors in composite construction is to understand their behaviour through experimental investigation. Results of the push-out tests, in accordance to Eurocode 4, with X-HVB 110 shear connectors positioned in envisaged openings of prefabricated concrete slabs are presented in this paper. The experimental investigation comprised three different specimen's layout. Group arrangement of X-HVB shear connectors in envisaged openings included specimens with minimal recommended distances and specimens with reduced distances between connectors in both directions. Influence of different installation procedures on overall behaviour of the connection is presented, as well as the orientation of shear connectors relative to the shear force direction. Influence of variations is characterized in terms of failure mechanisms, shear resistance and ductility.
Montuori, Rosario;Gabbianelli, Giammaria;Nastri, Elide;Simoncelli, Marco
Steel and Composite Structures
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제32권1호
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pp.1-19
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2019
The aim of the paper is the prediction of the seismic collapse mode of steel storage pallet racks under seismic loads. The attention paid by the researchers on the behaviour of the industrial steel storage pallets racks is increased over the years thanks to their high dead-to-live load ratio. In fact, these structures, generally made by cold-formed thin-walled profiles, present very low structural costs but can support large and expensive loads. The paper presents a prediction of the seismic collapse modes of multi-storey racks. The analysis of the possible collapse modes has been made by an approach based on the kinematic theorem of plastic collapse extended to the second order effects by means of the concept of collapse mechanism equilibrium curve. In this way, the dissipative behaviour of racks is determined with a simpler method than the pushover analysis. Parametric analyses have been performed on 24 racks, differing for the geometric layout and cross-section of the components, designed in according to the EN16618 and EN15512 requirements. The obtained results have highlighted that, in all the considered cases, the global collapse mechanism, that is the safest one, never develops, leading to a dangerous situation that must be avoided to preserve the structure during a seismic event. Although the studied racks follow all the codes prescriptions, the development of a dissipative collapse mechanism is not achieved. In addition, also the variability of load distribution has been considered, reflecting the different pallet positions assumed during the in-service life of the racks, to point out its influence on the collapse mechanism. The information carried out from the paper can be very useful for designers and manufacturers because it allows to better understand the racks behaviour in seismic load condition.
Bridge piers with bending failure mode are seriously damaged only in the area of plastic hinge length in earthquakes. For this situation, a modified method for the layout of longitudinal reinforcement is presented, i.e., the number of longitudinal reinforcement is increased in the area of plastic hinge length at the bottom of piers. The quasi-static test of three scaled model piers is carried out to investigate the local longitudinal reinforcement at the bottom of the pier on the seismic performance of the pier. One of the piers is modified by increased longitudinal reinforcement at the bottom of the pier and the other two are comparative piers. The results show that the pier failure with increased longitudinal bars at the bottom is mainly concentrated at the bottom of the pier, and the vulnerable position does not transfer. The hysteretic loop curve of the pier is fuller. The bearing capacity and energy dissipation capacity is obviously improved. The bond-slip displacement between steel bar and concrete decreases slightly. The finite element simulations have been carried out by using ANSYS, and the results indicate that the seismic performance of piers with only increasing the number of steel bars (less than65%) in the plastic hinge zone can be basically equivalent to that of piers that the number of steel bars in all sections is the same as that in plastic hinge zone.
This paper presents the flexural performance of steel beam-to-column joints composed of hollow structural section beams and columns. A finite element (FE) model was developed incorporating geometrical and material nonlinearities to evaluate the behaviour of joints subjected to bending moments. The numerical outcomes were validated with experimental results and compared with EN1993-1-8. The demountability of the structure was discussed based on the tested specimen. A parametric analysis was carried out to investigate the effects of steel yield strength, end-plate thickness, beam thickness, column wall thickness, bolt diameter, number of bolts and location. Consequently, an analytical model was derived based on the component method to predict the moment-rotation relationships for the sub-assemblies with extended end-plates. The accuracy of the proposed model was calibrated by the experimental and numerical results. It is found that the FE model is fairly reliable to predict the initial stiffness and moment capacity of the joints, while EN1993-1-8 overestimates the initial stiffness extensively. The beam-to-column joints are shown to be demountable and reusable with a moment up to 53% of the ultimate moment capacity. The end-plate thickness and column wall thickness have a significant influence on the joint behaviour, and the layout of double bolt-rows in tension is recommended for joints with extended end-plates. The derived analytical model is capable of predicting the moment-rotation relationship of the structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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