One of the most promising ways through which a steel moment frame may attain high energy dissipating capability is to trim off a portion of the beam flanges near the column face. This type of moment connection, known as Reduced Beam Section (RBS) connection, has notable superiority in comparison with other moment connection types. As the result of the advantages of RBS moment connection, it has widely being used in practice. In spite of the good hysteretic behaviour, an RBS beam suffers from an undesirable drawback, which is local and lateral instability of the beam. The instability in the RBS beam reduces beam load-carrying capacity. This paper aims to investigate key issues influencing cyclic behaviour of RBS beams. To this end, a numerical analysis was conducted on a series of steel subassemblies with various geometric properties. The obtained results together with the existing experimental data are used to study the instability of RBS beams. A new slenderness concept is presented to control an RBS beam for combined local and lateral instability. This concept is in good agreement with the numerical and experimental results. Finally, a model is developed for the prediction of the magnitude of moment degradation owing to the instability of an RBS beam.
This paper describes a new type of replaceable fuse for moment resisting frames. Column-tree connections with beam splice connections are frequently preferred in the moment resisting frames since they eliminate field welding and provide good quality. In the column-tree connections, a part of the beam is welded to the column in the shop and the rest of the beam is bolted with the splice connection in the field. In this study, a replaceable reduced beam section (R-RBS) connection is proposed in order to eliminate welding process and facilitate assembly at the site. In the proposed R-RBS connection, one end is connected by a beam splice connection to the beam and the other end is connected by a bolted end-plate connection to the column. More importantly is that the proposed R-RBS connection allows the replacement of the damaged R-RBS easily right after an earthquake. Pursuant to this goal, experimental and numerical studies have been undertaken to investigate the performance of the R-RBS connection. An experimental study on the RBS connection was used to substantiate the numerical model using ABAQUS, a commercially available finite element software. Additionally, five different finite element models were developed to conduct a parametric study. The results of the analysis were compared in terms of the moment and energy absorption capacities, PEEQ, rupture and tri-axiality indexes. The design process as well as the optimum dimensions of the R-RBS connections are presented. It was also demonstrated that the proposed R-RBS connection satisfies AISC criteria based on the nonlinear finite element analysis results.
This study presents a replaceable reduced beam section (R-RBS) located at the column end in moment resisting frames (MRFs). An end of the R-RBS is connected to column by using end-plate moment connection and the other end of that is connected to main beam with beam splice connection. Therefore, the RBS that is expected to yield under an earthquake can be easily replaceable. Geometry of the RBS and the thickness of the beam splice connection are the prime variables of this study. A total of eight experimental test was carried out to examine the seismic performance of the proposed R-RBS with the connection details. The results obtained from experimental studies demonstrated that plate sizes of the beam splice connection significantly affect the seismic performance of RBSs used in MRFs.
After observing relatively poor performance of bolted web-welded flange beam-to-column connections during 1994 Northridge earthquake, various types of connections based on two concepts of: (i) strengthening the connection; and (ii) weakening the beam ends were proposed. Among these modified or newly proposed connections, bolted T-stub connection follows the concept of strengthening. One of the connections with the idea of weakening the beam ends is reduced beam section (RBS). In this paper, finite element simulation is used to study the cyclic behavior of a new proposed connection developed by using a combination of both mentioned concepts. Investigated connections are exterior beam-to-column connections designed to comply with AISC provisions. The results show that moment capacity and dissipated energy of the new proposed connection is almost the same as those computed for a T-stub connection and higher than corresponding values for an RBS connection.
Saleh, Aboozar;Zahrai, Seyed M.;Mirghaderi, Seyed R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.5
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pp.785-808
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2016
An innovative Reduced Beam Section (RBS) connection, called Tubular Web RBS connection (TW-RBS), has been recently introduced and its performance has been numerically investigated in some earlier studies. The TW-RBS connection is a kind of accordion-web RBS connection in which part of the flat web of the beam is replaced by a steel tube at the expected region of the plastic hinge. This paper presents experimental results of three TW-RBS connections under cyclic loading. Obtained results indicated that TW-RBS reduces contribution of the beam web to the whole moment strength and creates a ductile fuse far from components of the beam-to-column connection. Besides, TW-RBS connection can increase story drift capacity up to 9% in the case of shallow beams which is much more than those stipulated by the current seismic codes. Based on the experimental results, the tubular web in the plastic hinge region improves lateral-torsional buckling stability of the beam such that only local buckling of the beam flange at the center of the reduced section was observed during the tests. In order to achieve a better understanding, behavior of all TW-RBS specimens are also numerically investigated and compared with those of experimental results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.3
no.4
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pp.33-46
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1999
In spite of 6.8 magnitude and the neighborhood of the epicenter, the steel moment frame survived after Northridge earthquake without collapse or casualties. However, following investigation revealed that there were severe damages at the column-weld interface of welded flange-bolted web (WFBW) steel moment connection, which was believed to be economic and safe from earthquakes based on experience and past tests. In this paper, this unexpected brittle fracture of the steel moment connection is explored using linear elastic fracture mechanics and post-Northridge tests. A method to predict the brittle fracture strength of the steel moment connection is proposed. Using this method, the failure mode of the WFBW connection and reduced beam section (RBS) connection are presented.
Kim, Kee Dong;Ko, Man Gi;Hwang, Byoung Kuk;Pae, Chang Kyu
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.6
s.73
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pp.833-846
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2004
This study presents a non-prismatic beam element for modeling the elastic behavior of steel beams, which have the post-Northridge connections in steel moment frames. The elastic stiffness matrix, including the shear effects for non-prismatic members with reduced beam section (RBS) connection, is in closed form. A simplified approach is also suggested, which uses a prismatic beam element to model beams with the RBS connection. This method can estimate quiteexactly the maximum story drift ratios of frames with the RBS connection. The effects of reduced beam section connection on the elastic stiffness of steel moment frames were investigated. The selection of a proper model to account for deformations at the joint might have a more important role in estimating the maximum story drift ratios of frames with better accuracy than the RBS cutouts.
A kind of accordion-web RBS connection, "Tubular Web RBS (TW-RBS)" connection is proposed in this research. TW-RBS is made by replacing a part of web with a tube at the desirable location of the beam plastic hinge. This paper presents first a numerical study under cyclic load using ABAQUS finite element software. A test specimen is used for calibration and comparison of numerical results. Obtained results indicated that TW-RBS would reduce contribution of the beam web to the whole moment strength and creates a ductile fuse far from components of the beam-to-column connection. Besides, TW-RBS connection can increase story drift capacity up to 9% in the case of shallow beams which is much more than those stipulated by the current seismic codes. Furthermore, the tubular web like corrugated sheet can improve both the out-of-plane stiffness of the beam longitudinal axis and the flange stability condition due to the smaller width to thickness ratio of the beam flange in the plastic hinge region. Thus, the tubular web in the plastic hinge region improves lateral-torsional buckling stability of the beam as just local buckling of the beam flange at the center of the reduced section was observed during the tests. Also change of direction of strain in arc shape of the tubular web section is smaller than the accordion webs with sharp corners therefore the tubular web provides a better condition in terms of low-cycle fatigue than other accordion web with sharp corners.
This paper summarized the results of a full-scale cyclic seismic testing on four reduced beam section (RBS) steel moment connections. Specifically, these tests addressed a bolted web versus a welded web connection and strong versus medium panel zone (PZ) strength as key test variables. Specimens with medium PZ strength were designed to promote balanced energy dissipation from both PZ and RBS regions, in order to reduce the requirement for expensive doubler plates. Both strong and medium PZ specimens with welded web connection were able to provide sufficient connection rotation capacity required of special moment-resisting frames. On the other hand, specimens with bolted web connection performed poorly due to premature brittle fracture of the beam flange at the weld access hole. Unlike the case of web-welded specimens, specimens with cheaper bolted web connection could not transfer the actual plastic moment of the original (or unreduced) beam section to the column. No fracture occurred within the beam groove welds of any connection in this testing program. If fracture within the beam flange groove weld is avoided by using quality welding procedure as in this study, the fracture issue tends to move into the beam flange base metal at the weld access hole. Supporting analytical study was also conducted in order to understand the observed base metal fracture from the engineering mechanics perspective.
An experimental study was conducted to evaluate the effects of loading sequence and lateral bracing on the behavior of reduced beam section (RBS) steel moment frame connections. Four full-scale moment connections were cyclically tested-two with a standard loading history and the other two with a near-fault loading history. All specimens reached at least 0.03 radian of plastic rotation without brittle fracture of the beam flange groove welds. Two specimens tested with the nearfault loading protocol reached at least 0.05 radian of plastic rotation, and both experienced smaller buckling amplitudes at comparable drift levels. Energy dissipation capacities were insensitive to the types of loading protocol used. Adding a lateral bracing near the RBS region produced a higher plastic rotation; the strength degradation and buckling amplitude were reduced. A non-linear finite element analysis of a one-and-a-half-bay beam-column subassembly was also conducted to study the system restraint effect. The study showed that the axial restraint of the beam could significantly reduce the strength degradation and buckling amplitude at higher deformation levels.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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