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.
In Special Concentrically Braced Frames (SCBFs), vertical and horizontal components of the brace force must be resisted by column and beam, respectively but normal force component existing at the gusset plate-to-column and beam interfaces, creates out-of-plane action making distortion in column and beam faces adjacent to the gusset plate. It is a main concern in Hollow Structural Section (HSS) columns and beams where their webs and gusset plate are not in the same plane. In this paper, a new gusset plate passing through the HSS columns and beams, named as through gusset plate, is proposed to study the force transfer mechanism in such gusset plates of SCBFs compared to the case with conventional gusset plates. For this purpose, twelve SCBFs with diagonal brace and HSS columns and twelve SCBFs with chevron brace and HSS columns and beams are considered. For each frame, two cases are considered, one with through gusset plates and the other with conventional ones. Based on numerical results, using through gusset plates prevents distortion and out-of-plane deformation at HSS column and beam faces adjacent to the gusset plate helping the entire column and beam cross-sections to resist respectively vertical and horizontal components of the brace force. Moreover, its application increases energy dissipation, lateral stiffness and strength around 28%, 40% and 32%, respectively, improving connection behavior and raising the resistance of the normal force components at the gusset plate-to-HSS column and beam interfaces to approximately 4 and 3.5 times, respectively. Finally, using such through gusset plates leads to better structural performance particularly for HSS columns and beams with larger width-to-thickness ratio elements.
The use of concrete filling offers a practical alternative for achieving the required stability of steel Hollow Structural Section (HSS) columns under fire conditions. However, current methods for evaluating fire resistance of Concrete Filled Hollow Structural Steel (CFHSS) columns are highly conservative as they are based on an elemental approach without due consideration to structural interactions that occur in framed structural systems. To overcome this limitation, a system level fire resistance analysis was carried out by treating CFHSS columns as part of an overall structural frame. In this analysis, an eight story steel-framed building was modeled under a range of standard and performance-based fire scenarios (including multi-story progressive burn-out fires) to evaluate the contribution of various structural members/assemblies to overall fire resistance. One of the primary factors considered was the use of concrete filling in HSS columns as an alternative to standard W-shape columns. Results from the analysis indicate that the use of CFHSS columns, in place of W-shape columns, in a performance-based environment can fully eliminate the need for applied fire protection to columns, while providing the required level of structural fire resistance.
This paper presents results of a non-linear finite element analysis of axially loaded slender hollow structural section (HSS) columns, strengthened using high modulus carbon-fiber reinforced polymer (CFRP) longitudinal sheets. The model was developed and verified against both experimental and other analytical models. Both geometric and material nonlinearities, which are attributed to the column's initial imperfection and plasticity of steel, respectively, are accounted for. Residual stresses have also been modeled. The axial strength in the experimental study was found to be highly dependent on the column's imperfection. Consequently, no specific correlation was established experimentally between strength gain and amount of CFRP. The model predicted the ultimate loads and failure modes quite reasonably and was used to isolate the effects of CFRP strengthening from the columns' imperfections. It was then used in a parametric study to examine columns of different slenderness ratios, imperfections, number of CFRP layers, and level of residual stresses. The study demonstrated the effectiveness of high modulus CFRP in increasing stiffness and strength of slender columns. While the columns' imperfections affect their actual strengths before and after strengthening,the percentage gain in strength is highly dependent on slenderness ratio and CFRP reinforcement ratio, rather than the value of imperfection.
Shahria Alam, M.;Muntasir Billah, A.H.M.;Quayyum, Shahriar;Ashraf, Mahmud;Rafi, A.N.M.;Rteil, Ahmad
Steel and Composite Structures
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제15권6호
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pp.705-724
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2013
The behaviour of steel column at elevated temperature is significantly different than that at ambient temperature due to its changes in the mechanical properties with temperature. Reported literature suggests that steel column may become vulnerable when exposed to fire condition, since its strength and capacity decrease rapidly with temperature. The present study aims at investigating the lateral load resistance of non-insulated steel columns under fire exposure through finite element analysis. The studied parameters include moment-rotation behaviour, lateral load-deflection behaviour, stiffness and ductility of columns at different axial load levels. It was observed that when the temperature of the column was increased, there was a significant reduction in the lateral load and moment capacity of the non-insulated steel columns. Moreover, it was noted that the stiffness and ductility of steel columns decreased sharply with the increase in temperature, especially for temperatures above $400^{\circ}C$. In addition, the lateral load capacity and the moment capacity of columns were plotted against fire exposure time, which revealed that in fire conditions, the non-insulated steel columns experience substantial reduction in lateral load resistance within 15 minutes of fire exposure.
본 연구에서는 탄소섬유쉬트로 보강된 각형강관 기둥의 유한요소 해석결과를 소개하고 있다. 실험체 개수는 총 6개이며, 각형강관에 대해서는 비조밀 단면 단주, 세장판 단면 단주, 비조밀 단면 장주로 구성되어 있다. 실험변수는 탄소섬유쉬트 보강겹수이다. AFRP 스트립과 강재사이의 부착거동과 부착응력-슬립관계를 규명하였다. 총 6개의 실험체에 대하여 ANSYS V.14.0을 사용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 파괴모드, 하중-변위곡선, 최대내력, 초기강성에 대해 실험결과와 비교하였다. 끝으로, AISC cold-formed steel structures 기준에 근거하여 세장비에 따른 좌굴응력값을 산정하였으며, 각 단면타입에 대한 좌굴응력값 및 보강효과를 비교하였다.
In Y-shaped eccentrically braced frame fabricated with high strength steel (Y-HSS-EBF), link uses conventional steel while other structural members use high strength steel. Cyclic test for a 1:2 length scaled one-bay and one-story Y-HSS-EBF specimen and shake table test for a 1:2 length scaled three-story Y-HSS-EBF specimen were carried out to research the seismic performance of Y-HSS-EBF. These include the failure mode, load-bearing capacity, ductility, energy dissipation capacity, dynamic properties, acceleration responses, displacement responses, and dynamic strain responses. The test results indicated that the one-bay and one-story Y-HSS-EBF specimen had good load-bearing capacity and ductility capacity. The three-story specimen cumulative structural damage and deformation increased, while its stiffness decreased. There was no plastic deformation observed in the braces, beams, or columns in the three-story Y-HSS-EBF specimen, and there was no danger of collapse during the seismic loads. The designed shear link dissipated the energy via shear deformation during the seismic loads. When the specimen was fractured, the maximum link plastic rotation angle was higher than 0.08 rad for the shear link in AISC341-10. The Y-HSS-EBF is a safe dual system with reliable hysteretic behaviors and seismic performance.
High-strength steel composite Y-eccentrically braced frame (Y-HSS-EBF) is a novel structural system. In this study, the spatial substructure hybrid simulation test (SHST) method is used to further study the seismic performance of Y-HSS-EBF. Firstly, based on the cyclic loading tests of two single-story single-span Y-HSS-EBF planar specimens, a finite element model in OpenSees was verified to provide a reference for the numerical substructure analysis model for the later SHST. Then, the SHST was carried out on the OpenFresco test platform. A three-story spatial Y-HSS-EBF model was taken as the prototype, the top story was taken as the experimental substructure, and the remaining two stories were taken as the numerical substructure to be simulated in OpenSees. According to the test results, the validity of the SHST was verified, and the main seismic performance indexes of the SHST model were analyzed. The results show that, the SHST based on the OpenFresco platform has good stability and accuracy, and the results of the SHST agree well with the global numerical model of the structure. Under strong seismic action, the plastic deformation of Y-HSS-EBF mainly occurs in the shear link, and the beam, beam-columns and braces can basically remain in the elastic state, which is conducive to post-earthquake repair.
This paper presents the experimental results of flexural and compression steel members strengthened with carbon fiber reinforced polymers (CFRP) sheets. In the flexural test, the five specimens were fabricated and the test parameters were the number of CFRP ply and the ratio of partial-length bonded CFRP sheets of specimen. The CFRP sheet strengthened steel beam had failure mode: CFRP sheet rupture at the mid span of steel beams. A maximum increase of 11.3% was achieved depending on the number of CFRP sheet ply and the length of CFRP sheet. In the compression test, the nine specimens were fabricated and the main parameters were: width-thickness ratio (b/t), the number of CFRP ply, and the length of the specimen. From the tests, for short columns it was observed that two sides would typically buckle outward and the other two sides would buckle inward. Also, for long columns, overall buckling was observed. A maximum increase of 57% was achieved in axial-load capacity when 3 layers of CFRP were used to wrap HSS columns of b/t = 60 transversely.
This paper deals with the development of an approach for evaluating the squash load and rigidity of unprotected concrete filled steel columns at elevated temperatures. The current approach of evaluating these properties is reviewed. It is shown that with a non-uniform temperature distribution, over the composite cross-section, the calculations for the squash load and rigidity are tedious in the current method. A simplified approach is proposed to evaluate the temperature distribution, squash load, and rigidity of composite columns. This approach is based on the model in Eurocode 4 and can conveniently be used to calculate the resistance to axial compression of a concrete filled steel column for any fire resistance time. The accuracy of the proposed approach is assessed by comparing the predicted strengths against the results of fire tests on concrete filled circular and square steel columns. The applicability of the proposed approach to a design situation is illustrated through a numerical example.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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