The seismic responses of a building are affected by the connection characteristics that have effects on structural stiffness. In this study, push-over analysis and time history analysis were performed to estimate structural behavior of 2D eight-story unbraced steel structures with partially restrained composite connections using a nonlinear dynamic analysis program. Nonlinear $M-{\theta}$characteristics of connection and material inelastic characteristics of composite beam and steel column were considered. The idealization of composite semi-rigid connection as fully rigid connection yielded an increase in initial stiffness and ultimate strength in the push-over analysis. In time history analysis, the stiffness and hysteretic behavior of connections have effects on base-shear force, maximum story-drift and maximum moment in beams and columns. For seismic waves with PGA of 0.4 g, the structure with the semi-rigid composite connections shows the maximum story-drift with less than the life safety criteria by FEMA 273 and no inelastic behavior of beam and column, whereas in the structure with rigid connections, beams and columns have experienced inelastic behaviors.
Cavdar, Ozlem;Bayraktar, Alemdar;Cavdar, Ahmet;Kartal, Murat Emre
Steel and Composite Structures
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v.9
no.6
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pp.499-518
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2009
The present paper investigates the stochastic seismic responses of steel structure systems with Partially Restrained (PR) connections by using Perturbation based Stochastic Finite Element (PSFEM) method. A stiffness matrix formulation of steel systems with PR connections and PSFEM and MCS formulations of structural systems are given. Based on the formulations, a computer program in FORTRAN language has been developed, and stochastic seismic analyses of steel frame and bridge systems have been performed for different types of connections. The connection parameters, material and geometrical properties are assumed to be random variables in the analyses. The Kocaeli earthquake occurred in 1999 is considered as a ground motion. The connection parameters, material and geometrical properties are considered to be random variables. The efficiency and accuracy of the proposed SFEM algorithm are validated by comparison with results of Monte Carlo simulation (MCS) method.
Kim, Sun-Hee;Bang, Jung-Seok;Park, Young-Wook;Choi, Sung-Mo
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.24
no.1
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pp.109-117
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2012
This study seeks to devise a design application for a beam structure with partially restrained composite connection to a CFT column. A cost-efficient and stable component is applied by adjusting the stiffness ratio of the column connection through partially restrained composite connection. Based on a review of the structure's stability, it was confirmed that in the case of a low-rise building as a moment frame, resistance without bracing is feasible because stiffness increased by virtue of the partial restrained composite connection by composite action. In the case of a high-rise building, lateral resistance load of moment frame was approximately 10% when proper partial restrained rate was at around 60%. With considerations related to economic efficiency, the partial restriction effect of the beam component was significantly activated by the uniform load, but that of the beam activated by concentrated load was not significantly indicative. The analysis indicated that 60% partial restrained girder at the connection was the most economical in the case of uniform load. It also showed that end moments can be reduced by approximately 25%.
The paper investigates the seismic performance of a Partially-Restrained (PR) steel-concrete composite frame using the probabilistic approach. The analysed frame was tested at the ELSA laboratory of the Joint Research Centre of Ispra (Italy), while the representative beam-to-column composite connections were tested at the Universities of Pisa, Milan and Trento (Italy). The component modelling of both interior and exterior composite joints is described first, including the experimental-numerical validation. The Latin Hypercube method has been used to draw the probabilistic distribution curves of joints, and then the whole PR composite frame has been analysed. Pushover and incremental dynamic analyses have been carried out using the non-linear FE code SAP2000 version 9.1. The fragility and performance curves of the PR composite frame have been determined for four damage limit states.
The damage suffered by steel structures during the Northridge (1994) and Kobe (1995) earthquakes indicates that the fully restrained (FR) connections in steel frames did not behave as expected. Consequently, researchers began studying other possibilities, including making the connections more flexible, to reduce the risk of damage from seismic loading. Recent experimental and analytical investigations pointed out that the seismic response of steel frames with partially restrained (PR) connections might be superior to that of similar frames with FR connections since the energy dissipation at PR connections could be significant. This beneficial effect has not yet been fully quantified analytically. Thus, the dissipation of energy at PR connections needs to be considered in analytical evaluations, in addition to the dissipation of energy due to viscous damping and at plastic hinges (if they form). An algorithm is developed and verified by the authors to estimate the nonlinear time-domain dynamic response of steel frames with PR connections. The verified algorithm is then used to quantify the major sources of energy dissipation and their effect on the overall structural response in terms of the maximum base shear and the maximum top displacement. The results indicate that the dissipation of energy at PR connections is comparable to that dissipated by viscous damping and at plastic hinges. In general, the maximum total base shear significantly increases with an increase in the connection stiffness. On the other hand, the maximum top lateral displacement $U_{max}$ does not always increase as the connection stiffness decreases. Energy dissipation is considerably influenced by the stiffness of a connection, defined in terms of the T ratio, i.e., the ratio of the moment the connection would have to carry according to beam line theory (Disque 1964) and the fixed end moment of the girder. A connection with a T ratio of at least 0.9 is considered to be fully restrained. The energy dissipation behavior may be quite different for a frame with FR connections with a T ratio of 1.0 compared to when the T ratio is 0.9. Thus, for nonlinear seismic analysis, a T ratio of at least 0.9 should not be considered to be an FR connection. The study quantitatively confirms the general observations made in experimental results for frames with PR connections. Proper consideration of the PR connection stiffness and other dynamic properties are essential to predict dynamic behavior, no matter how difficult the analysis procedure becomes. Any simplified approach may need to be calibrated using this type of detailed analytical study.
The partially restrained smart CFT (concrete filled tube) column-to-beam connections with top-seat split T connections show various behavior characteristics according to the changes in the diameter and tightening force of the fastener, the geometric shape of T-stub, and material properties. This paper presents results from a systematic three-dimensional nonlinear finite element study on the structural behavior of the top-seat split T connections subjected to cyclic loadings. This connection includes super-elastic shape memory alloy (SMA) T-stub and rods to obtain the re-centering capabilities as well as great energy dissipation properties of the CFT composite frame. A wide scope of additional structural behaviors explain the influences of the top-seat split T connections parameters, such as the different thickness and gage distances of split T-stub.
We analyzed the experimental and theoretical behavior of a particular type of steel joint designed to connect beam to beam and able to transfer both shear forces and bending moments. This joint is characterized by the use of steel plates and bolts enclosed in the width of the beams. The experimental investigation was carried out characterizing the constituent materials and testing in flexure beams constituted by two portions of beams connected in the middle with the joint proposed. Connections having different characteristics in terms of thickness of plates, number and type of bolts were utilized. Flexure tests allow one to determine the loaddeflection curves of the beam tested and the moment-rotation diagrams of the connections, highlighting the strength and the strain capacity of the joints. The proposed analytical model allows one to determine the moment-rotation relationship of the connections, pointing out the influence of the principal geometrical and mechanic characteristics of single constituents on the full properties of the joint.
Reyes-Salazar, Alfredo;Cervantes-Lugo, Jesus Alberto;Barraza, Arturo Lopez;Bojorquez, Eden;Bojorquez, Juan
Steel and Composite Structures
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v.22
no.1
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pp.113-139
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2016
The nonlinear seismic responses of steel buildings with perimeter moment resisting frames (PMRF) and interior gravity frames (IGF) are estimated, modeling the interior connections first as perfectly pinned (PPC), and then as partially restrained (PRC). Two 3D steel building models, twenty strong motions and three levels of the PRC rigidity, which are represented by the Richard Model and the Beam Line Theory, are considered. The RUAUMOKO Computer Program is used for the required time history nonlinear dynamic analysis. The responses can be significantly reduced when interior connections are considered as PRC, confirming what observed in experimental investigations. The reduction significantly varies with the strong motion, story, model, structural deformation, response parameter, and location of the structural element. The reduction is larger for global than for local response parameters; average reductions larger than 30% are observed for shears and displacements while they are about 20% for bending moments. The reduction is much larger for medium- than for low-rise buildings indicating a considerable influence of the structural complexity. It can be concluded that, the effect of the dissipated energy at PRC should not be neglected. Even for connections with relative small stiffness, which are usually idealized as PPC, the reduction can be significant. Thus, PRC can be used at IGF of steel buildings with PMRF to get more economical construction, to reduce the seismic response and to make steel building more seismic load tolerant. Much more research is needed to consider other aspects of the problem to reach more general conclusions.
In this paper a systematic numerical analysis is performed to obtain the bending moment resisting capacity of a top and seat angle connection, which is a type of partially restrained connection, for a CFT composite frame subjected to cyclic loading. This partially restrained composite CFT connections are fabricated using high strength steel connection bar. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the rotational stiffness, bending moment capacity, and failure modes. A wide scope of additional structural behaviors explain the different influences of the top and seat angle connection's parameters, such as the different thickness of connection angles and the gage distances of the high strength steel bar. The moment-rotation angle relationships obtained from the finite element analysis are compared with those from Richard's theoretical equation.
A research investigation of single bolt lap-plate connection load-deformation behavior is presented. Each important characteristic of this behavior is evaluated and two methods for analytically approximating the behavior are developed and presented. The first of these methods is a component method in which the behavior of the connection is modeled as a combination of the behavior of the parts. The second method utilizes a number of parametric relationships that relate the connection parameters to coefficients of two non-linear continuous analytical curves. The test results from four independent experimental programs that investigated the behavior of single bolt lap-plate connections are used in the development and verification of these methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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