This paper presents the results of a set of wind tunnel tests carried out to examine wind-induced overall structural loads on rectangular medium-rise buildings. Emphasis was directed towards torsion and its correlation with peak shear forces in transverse and longitudinal directions. Two building models with the same horizontal dimensions but different gabled-roof angles ($0^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$) were tested at different full-scale equivalent eave heights (20, 30, 40, 50, and 60 m) in open terrain exposure for all wind directions (every $15^{\circ}C$). Wind-induced pressures were integrated over building surfaces and results were obtained for along-wind force, across-wind force, and torsional moment. Maximum wind force component was given along with the other simultaneously-observed wind force components normalized by the overall peak. The study found that for flat-roofed buildings maximum torsion for winds in transverse direction is associated with 80% of the overall shear force perpendicular to the longer horizontal building dimension; and 45% of the maximum shear occurs perpendicular to the smaller horizontal building dimension. Comparison of the wind tunnel results with current torsion provisions in the American wind standard, the Canadian and European wind codes demonstrate significant discrepancies. Suggested load combination factors were introduced aiming at an adequate evaluation of wind load effects on rectangular medium-rise buildings.
Zhu, Li;Wang, Jia J.;Zhao, Guan Y.;Huo, Xue J.;Li, Xuan
Steel and Composite Structures
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v.37
no.2
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pp.117-136
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2020
Curved steel-concrete composite box girder has been widely adopted in urban overpasses and ramp bridges. In order to investigate its mechanical behavior under complicated and combined bending, shear and torsion load, two large-curvature composite box girders with interior angles of 25° and 45° were tested under static hogging moment. Based on the strain and deflection measurement on critical cross-sections during the static loading test, the failure mode, cracking behavior, load-displacement relationship, and strain distribution in the steel plate and rebar were investigated in detail. The test result showed the large-curvature composite box girders exhibited notable shear lag in the concrete slab and steel girder. Also, the constraint torsion and distortion effect caused the stress measured at the inner side of the composite beam to be notably higher than that of the outer side. The strain distribution in the steel web was approximately linear; therefore, the assumption that the plane section remains plane was approximately validated based on strain measurement at steel web. Furthermore, the full-process non-linear elaborate finite element (FE) models of the two specimens were developed based on commercial FE software MSC.MARC. The modeling scheme and constitutive model were illustrated in detail. Based on the comparison between the FE model and test results, the FE model effectively simulated the failure mode, the load-displacement curve, and the strain development of longitudinal rebar and steel girder with sufficient accuracy. The comparison between the FE model and the test result validated the accuracy of the developed FE model.
The use of Hollow Structural Sections (HSS) provides an alternative for steel buildings in seismic zones, with the advantage over WF columns that the HSS columns have similar resistance along both axes and enhanced performance under flexure, compression and torsion with respect to other columns sections. The HSS columns have shown satisfactory performance under seismic loads, such as observed in buildings with steel moment frames in the Honshu earthquake (2011). The purpose of this research is to propose a new moment connection, EP-HSS ("End-plate to Hollow Structural Section"), using a wide flange beam and HSS column where the end plate falls outside the range of prequalification established in the ANSI/AISC 358-10 Specification, as an alternative to the traditional configuration of steel moment frames established in current codes. The connection was researched through analytical, numerical (FEM), and experimental studies. The results showed that the EP-HSS allowed the development of inelastic action on the beam only, avoiding stress concentrations in the column and developing significant energy dissipation. The experiments followed the qualification protocols established in the ANSI/AISC 341-10 Specification satisfying the required performance for highly ductile connections in seismic zones, thereby ensuring satisfactory performance under seismic actions without brittle failure mechanisms.
Some model building codes stipulate that the design displacement of a building can be computed using the elastic static analysis results multiplied by the deflection amplification factor, $C_d$. This approach for estimating the design displacement is essential and appealing in structural engineering practice when nonlinear response history analysis (NRHA) is not required. Furthermore, building codes stipulate the consideration of accidental torsion effects using accidental eccentricity, whether the buildings are symmetric-plan, or asymmetric-plan. In some model building codes, the accidental eccentricity is further amplified by the torsional amplification factor $A_x$ in order to minimize the discrepancy between statically and dynamically estimated responses. Therefore, this warrants exploration of the reliability of statically estimated design displacements in accordance with the building code requirements. This study uses the discrepancy curves as a way of assessing the reliability of the design displacement estimates resulting from the factors $C_d$ and $A_x$. The discrepancy curves show the exceedance probabilities of the differences between the statically estimated design displacements and NRHA results. The discrepancy curves of 3-story, 9-story, and 20-story example buildings are investigated in this study. The example buildings are steel special moment frames with frequency ratios equal to 0.7, 1.0, 1.3, and 1.6, as well as existing eccentricity ratios ranging from 0% to 30%.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.12
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pp.923-929
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2003
As for the marine propulsion shafting system using 4 stroke diesel engine, it is common to apply a reduction gear box between diesel engine and shafting to increase propulsion efficiency, which requires inevitably a certain elastic coupling to avoid chattering and hammering inside of gear box. In this study, the optimum method of rectifying propulsion shafting system in case of 750 ton fishing vessel is theoretically studied in a view of dynamic characteristics of torsion. After the replacement of diesel engine and gear box, the torsional vibration get worse and so some countermeasures are needed. The elastic coupling is modified from a present rubber coupling of block type having relatively high torsional stiffness to a rubber coupling haying two serially connected elements. Torsional vibration damper was installed at crankshaft free end additionally and moment of inertia of flywheel was adjusted. The dynamic characteristics of shafting system was improved by these modification. The theoretical analysis of torsional vibration are compared to measurement results using two laser torsion meters during the sea trial.
A unified theory has recently been developed for reinforced concrete structures (Hsu 1993), subjected to the four basic actions - bending, axial load, shear and torsion. The theory has five components, namely, the struts-and-ties model, the equilibrium (or plasticity) truss model, the Bernoulli compatibility truss model, the Mohr compatibility truss model and the softened truss model. Because the last three models can satisfy the stress equilibrium, the strain compatibility and the constitutive laws of materials, they can predict not only the strength, but also the load-deformation history of a member. In this paper the five models are summarized to illustrate their intrinsic consistency.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.11a
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pp.255-258
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2005
The current ACI design code does not take into account the contribution of concrete for the torsional moment of reinforced concrete(RC) beams subjected to pure torsion. This code is not capable of evaluating the inter-effects between concrete and torsional reinforcement on the torsional resistance of the RC beams. In this study, 9 RC beams subjected to pure torsion were tested. The main parameter of the beams was the amount of torsional reinforcement and the angle of twist. Test results indicated that the current ACI code over-estimated the torsional strength of RC beams that had larger amount of torsional reinforcement.
Proceedings of the Korean Society of Marine Engineers Conference
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2001.05a
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pp.140-145
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2001
The purpose of this study is the design of composite shaft which is wound by Filament Winding method. Classical laminated plate theory was used for analyzing the stress, and for structure design. The diameter and thickness of composite shaft were calculated by this theory. The result that if tensile stress was zero, torsion stress was a certain value below 0.4(diameter rate) and torsion strength was the highest value on 45$^{\circ}$(winding angle). In case of 90$^{\circ}$(winding angle), we have to consider the torsional moment when the composites shaft was load.
The modified compression field theory is already applied in shear problem at some code(AASHTO-1998) partly. Nominal shear strength of concrete beam is sum of the concrete shcar strength and the steel shear strength in the current design code. But Torsional moment strength of concrete is neglected in the calculation of the nominal torsional moment strength of concrete beam In the current revised code. Tensile stress of concrete strut between cracks is still in effect due to tension stiffening effect. But The tensile stresses of concrete after cracking are neglected in bending and torsion In design. The torsional behavior is similar to the shear behavior in mechanics. Therefore the torsional moment strength of concrete should be concluded in the nominal torsional moment strength of reinforced concrete beam. This paper shows that the torsional moment strength of concrete is caused by the average principal tensile stress of concrete. To verify the validity of the proposed model, the nominal torsional moment strengths according to two ACI codes (89, 99) and proposed model are compared to experimental torsional moment strengths of 55 test specimens found in literature. The nominal torsional moment strengths by the proposed model show the best results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.6
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pp.81-91
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2003
Recently, many high-rise reinforced concrete(RC) bearing-wall structures of multiple uses have been constructed, which have the irregularities of weak(or soft) story and torsion at the lower stories simultaneously. The study stated herein was performed to investigate seismic performance of such a high-rise RC structure through a series of shaking table tests of a 1: 12 model. Based on the observations of the test results, the conclusions are drawn as follows: 1) Accidental torsion due to the uncertainty on the properties of structure can be reasonably predicted by using the dynamic analysis than by using lateral force procedure. 2) The mode coupled by translation and torsion induced the overturning moments not only in the direction of excitations but also in the perpendicular direction: The axial forces in columns due to this transverse overturning moment cannot be adequately predicted using the existing mode analysis technique, and 3) the hysteretic curve and the strength diagram between base shear and torque(BST) clearly reveal the predominant mode of vibrations and the failure mode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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