The design criteria and the corresponding performance levels characterize the response of extended stiffened end-plate beam-to-column joints. In order to guarantee a ductile behavior, hierarchy criteria should be adopted to enforce the plastic deformations in the ductile components of the joint. However, the effectiveness of thesecriteria can be impaired if the actual resistance of the end-plate material largely differs from the design value due to the potential activation of brittle failure modes of the bolt rows (e.g., occurrence of failure mode 3 in the place of mode 1 per bolt row). Also the number and the position of bolt rows directly affect the joint response. The presence of a bolt row in the center of the connection does not improve the strength of the joint under both gravity, wind and seismic loading, but it can modify the damage pattern of ductile connections, reducing the gap opening between the end-plate and the column face. On the other hand, the presence of a central bolt row can influence the capacity of the joint to resist the catenary actions developing under a column loss scenario, thus improving the joint robustness. Aiming at investigating the influence of these features on both the cyclic behavior and the response under column loss, a wide range of finite element analyses (FEAs) were performed and the main results are described and discussed in this paper.
Jiao, Jinfeng;Ma, Xiao;Lei, Honggang;Chen, Y. Frank
국제강구조저널
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제18권5호
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pp.1525-1540
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2018
A test rig with multi-functional purposes was specifically designed and manufactured to study the behavior of multi-planar welded tubular joints subjected to multi-planar concurrent axial loading. An experimental investigation was conducted on full-scale welded tubular joints with each consisting of one chord and eight braces under monotonic loading conditions. Two pairs or four representative specimens (two specimens for each joint type) were tested, in which each pair was reinforced with two kinds of different internal stiffeners at the intersections between the chords using welded rectangular hollow steel sections (RHSSs) and the braces using rolled circular hollow steel sections (CHSSs) and welded RHSSs. The effects of different internal stiffeners at the chord-brace intersection on the load capacity of joints under concurrent multi-planar axial compression/tension are discussed. The test results of joint strengths, failure modes, and load-stress curves are presented. Finite element analyses were performed to verify the experimental results. The study results show that the two different joint types with the internal stiffeners at the chord-brace intersection under axial compression/tension significantly increase the corresponding ultimate strength to far exceed the usual design strength. The load carrying capacity of welded tubular joints decreases with a higher degree of the manufacturing imperfection in individual braces at the tubular joints. Furthermore, the interaction effect of the concurrent axial loading applied at the welded tubular joint on member stress is apparent.
Park, Joohyun;Kang, Seok-Jun;Hwang, Hyun-Joong;Cho, Gye-Chun
Geomechanics and Engineering
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제29권3호
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pp.207-218
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2022
In submerged floating tunnels (SFTs), a next-generation maritime transportation infrastructure, the tunnel module floats in water due to buoyancy. For the effective and economical use of SFTs, connection with the ground is inevitable, but the stability of the shore connection is weak due to stress concentration caused by the displacement difference between the subsea bored tunnel and the SFT. The use of an elastic joint has been proposed as a solution to solve the stability problem, but it changes the dynamic characteristics of the SFT, such as natural frequency and mode shape. In this study, the finite element method (FEM) was used to simulate the elastic joints in shore connections, assuming that the ground is a hard rock without displacement. In addition, a small-scale model test was performed for FEM model validation. A parametric study was conducted on the resonance behavior such as the natural frequency change and velocity, stress, and reaction force distribution change of the SFT system by varying the joint stiffness under loading conditions of various frequencies and directions. The results indicated that the natural frequency of the SFT system increased as the stiffness of the elastic joint increased, and the risk of resonance was the highest in the low-frequency environment. Moreover, stress concentration was observed in both the SFT and the shore connection when resonance occurred in the vertical mode. The results of this study are expected to be utilized in the process of quantitative research such as designing elastic joints to prevent resonance in the future.
Zhen Zhu;Haitao Song;Mingchi Fan;Hao Yu;Chenglong Wu;Chunying Zheng;Haiyang Duan;Lei Wang
Steel and Composite Structures
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제52권4호
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pp.405-418
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2024
To study the influence of different reduced beam section (RBS) on the mechanical performance of modular boltedwelded hybrid connection joints (MHCJs), this article uses ABAQUS to establish and verify the finite element model (FEM) of the test specimens on the basis of quasi-static test research. Based on, 14 joint models featuring different RBS are devised to evaluate their influence on seismic behavior, such as joint failure mode, bending moment (M)-rotation angle (θ) curve, ductility, and energy consumption. The results indicate that when the flange and web are individually weakened, they alleviate to some extent the concentrated stress of the core module (CM) and column end steel skeleton in the joint core area, but both increase the stress on the flange connecting plate (FCP). At the same time, the impact of both on seismic performance such as bearing capacity, stiffness, and energy consumption is relatively small. When simultaneously weakening the flange and web of the steel beam, forming plastic hinges at the weakened position of the beam end, significantly alleviated the stress concentration of the CM and the damage at the FCP, improving the overall deformation and energy consumption capacity of joints. But as the weakening size of the web increases, the overall bearing capacity of the joint shows a decreasing trend.
To overcome many defects such as the high product cost, large energy consumption, and big space capacity in conventional mechanical machining, the miniaturization of machine tool and micro factory systems has been envisioned recently. The object of this paper is to research the effect of dynamic characteristic parameters in bolted-joint beams, which is widely applied to the joining of mechanical structures in order to identify structural system characteristics and to predict dynamic behavior according to scale-down from macro to micro system as the development of micro/meso-scale machine tool and micro factories. Modal parameters such as the natural frequency, damping ratio, and mode shape from modal testing and dynamic characteristics from finite element analysis are extracted with all 12 test beam models by materials, by size, and by joining condition, and then the results obtained by both methods are compared.
To study the effect of collar-plate reinforcement on the static strength of tubular T-joints under axial loading, fundamental research work is carried out from both experimental test and finite element (FE) simulation. Through experimental tests on 7 collar-plate reinforced and 7 corresponding un-reinforced tubular T-joints under axial loading, the reinforcing efficiency is investigated. Thereafter, the static strengths of the above 14 models are analyzed by using FE method, and it is found that the numerical results agree reasonably well with the experimental data to prove the accuracy of the presented FE model. Additionally, a parametric study is conducted to analyze the effect of some geometrical parameters, i.e., the brace-to-chord diameter ratio ${\beta}$, the chord diameter-to-chord wall thickness ratio $2{\gamma}$, collar-plate thickness to chord wall thickness ratio ${\tau}_c$, and collar-plate length to brace diameter ratio $l_c/d_1$, on the static strength of a tubular T-joint. The parametric study shows that the static strength can be greatly improved by increasing the collar-plate thickness to chord wall thickness ratio ${\tau}_c$ and the collar-plate length to brace diameter ratio $l_c/d_1$. Based on the numerical results, parametric equations are obtained from curving fitting technique to estimate the static strength of a tubular T-joint with collar-plate reinforcement under axial loading, and the accuracy of these equations is also evaluated from error analysis.
Bolted joints are essential elements of mechanical structures and metal constructions. Although their static behaviour is fairly well known, their dynamic behaviour due to shocks and vibrations has been less studied, because of the large size of the finite element models needed for a detailed simulation. This work presents four different simplified models suitable for studying the dynamic behaviour of an elementary bolted joint. Three of them include contact elements to allow sliding of the screw head and the nut on the assembled parts, and the last one allows rotation between screw and nut. A penalty approach based on the Coulomb friction model is used to model contact. The results show that these models effectively represent the dynamic behaviour, with different accuracy depending on the model details. The last model simulates the self loosening of a bolt subjected to transversal vibrations.
Sulong, N.H. Ramli;Elghazouli, A.Y.;Izzuddin, B.A.;Ajit, N.
Steel and Composite Structures
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제10권1호
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pp.23-43
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2010
In this paper, a nonlinear model is developed using the component method in order to represent the response of steel connections under various loading conditions and temperature variations. The model is capable of depicting the behaviour of a number of typical connection types including endplate forms (extended and flush) and angle configurations (double web, top and seat, and combined top-seat-web) in both steel and composite framed structures. The implementation is undertaken within the finite element program ADAPTIC, which accounts for material and geometric nonlinearities. Verification of the proposed connection model is carried out by comparing analytical simulations with available results of isolated joint tests for the ambient case, and isolated joint as well as sub-frame tests for elevated temperature conditions. The findings illustrate the reliability and efficiency of the proposed model in capturing the stiffness and strength properties of connections, hence highlighting the adequacy of the component approach in simulating the overall joint behaviour at elevated temperature.
The force transfer mechanism in positive moment continuity details for prestressed concrete girder bridges is investigated in this paper using a three-dimensional detailed finite element model. Positive moment reinforcement in the form of hairpin bars as recommended by the National Cooperative Highway Research Program Report No 519 is incorporated in the model. The cold construction joint that develops at the interface between girder ends and continuity diaphragms is also simulated via contact elements. The model is then subjected to the positive moment and corresponding shear forces that would develop over the service life of the bridge. The stress distribution in the continuity diaphragm and the axial force distribution in the hairpin bars are presented. It was found that due to the asymmetric configuration of the hairpin bars, asymmetric stress distribution develops at the continuity diaphragm, which can be exacerbated by other asymmetric factors such as skewed bridge configurations. It was also observed that when the joint is subjected to a positive moment, the tensile force is transferred from the girder end to the continuity diaphragm only through the hairpin bars due to the lack of contact between the both members at the construction joint. As a result, the stress distribution at girder ends was found to be concentrated around the hairpin bars influence area, rather than be resisted by the entire girder composite section. Finally, the results are used to develop an approach for estimating the cracking moment capacity at girder ends based on a proposed effective moment of inertia.
This study presents an explicit dynamic analysis of an adhesively bonded single-lap joint under an impact load. The finite element software, ANSYS LS-DYNA, was used for the analysis and Von Mises stresses were obtained from the analysis. To model the adherents, solid elements were used and a rigid body was assumed for impactor modeling. Three impact heights (1 m, 5 m, and 10 m) were applied to consider different impact conditions and infinite boundary conditions were applied to the end-area of each adherent to save computational time in the analysis. In addition to investigating the stresses in the normal state, we also investigated the stresses in a damaged state (elasticity deterioration), simulated by a change in Young's modulus for 36 of the 3600 elements in the upper layer of the adhesive. The results showed that the location of damage is critical to the stress state of each layer (upper, middle, and lower).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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