This paper presents a designing method for enhancing fire resistance of steel box bridge girders (closed steel box bridge girder supporting a thin concrete slab) through taking into account such parameters namely; fire severity, type of longitudinal stiffeners (I, L, and T shaped), and number of longitudinal stiffeners. A validated 3-D finite element model, developed through the computer program ANSYS, is utilized to go over the fire response of a typical steel box bridge girder using the transient thermo-structural analysis method. Results from the numerical analysis show that fire severity and type of longitudinal stiffeners welded on bottom flange have significant influence on fire resistance of steel box bridge girders. T shaped longitudinal stiffeners applied on bottom flange can highly prevent collapse of steel box bridge girders towards the end of fire exposure. Increase of longitudinal stiffeners on bottom flange and web can slightly enhance fire resistance of steel box bridge girders. Rate of deflection-based criterion can be reliable to evaluate fire resistance of steel box bridge girders in most fire exposure cases. Thus, T shaped longitudinal stiffeners on bottom flange incorporated into bridge fire-resistance design can significantly enhance fire resistance of steel box bridge girders.
Despite its disadvantages, soft story can reduce the damage to the upper floors by concentrating drift in that specific story provided that large drifts are avoided. Gapped-Inclined Brace (GIB) with reduced P-delta effects and the control of soft story stiffness makes it possible to take advantage of the soft story in buildings and increase their capacity for energy dissipation. OpenSees software is used in this study to validate and modify the GIB model's shortcomings. Also, the analysis method for this element is changed for design. The modified element is evaluated in 3D analysis. Finally, to retrofit an existing building, this element is used. Based on the Iranian seismic code, a six-story reinforced concrete building is modelled and studied with 3D analysis. In this building, the construction shortcomings and elimination of infills on the ground floor cause the formation of a soft story. Results of nonlinear static analysis, nonlinear dynamic, and incremental dynamic analysis using both components of seismic acceleration applied to the structure at different angles and the fragility curves indicate the improvement of the retrofitted structure's performance using the modified element to reach the required performance level following the retrofit code.
The need to account for accidental torsion in seismic design is no longer debatable, however, the seismic codes' requirement for accidental eccentricity has recently faced criticism. In order to get as close to real conditions as possible, this study investigated the impact of accidental torsion in symmetric RC multistory buildings caused by one of its many sources, the torsional earthquake component, and compared the results to those obtained by using the accidental eccentricity recommended by the codes (shifting the center of mass). To cover a wide range of frequencies and site conditions, two types of torsion seismic components were used: a recorded torsion accelerogram and five others generated using translation accelerograms. The main parameters that govern seismic responses, such as the number of stories (to account for the influence of all modes of vibration) and the frequency ratio (Ω) variation, were studied in terms of inter-story drift and displacement responses, as well as torsional moment. The results show that the eccentricity ratio of 5% required by most codes for accidental torsion should be reexamined and that it is prudent for computer analysis to use the static moment approach to implement the accidental eccentricity while waiting for new seismic code recommendations on the subject.
The static design approach in the current code implies that the inherent torsional moment represents the state of zero inertial torsional moments at the center of mass (CM). However, both experimental and analytical results prove the existence of a large amount of the inertial torsional moment at the CM. Also, the definition of eccentricity by engineers, which is referred to as the resistance eccentricity, is defined as the distance between the center of mass and the center of resistance, which is conceptually different from the static eccentricity in the current codes, defined as the arm length about the center of rotation. The difference in the definitions of eccentricity should be made clear to avoid confusion about the torsion design. This study proposed prediction equations as a function of resistance eccentricity based on a resistance eccentricity model with advantages of (1) the recognition of the existence of torsional moment at the CM, (2) the avoidance of the confusion by using resistance eccentricity instead of the design eccentricity, and (3) a clear relationship of applied inertial forces at the CM and resisting forces. These predictions are compared with the seismic responses obtained from time-history analyses of a five-story building structure under moderate and severe earthquakes. Then, the trend of the resistance eccentricity corresponding to the maximum edge drift is investigated for elastic and inelastic responses. The comparison given in this study shows that these prediction equations can serve as a useful reference for the prediction in both the elastic and the inelastic ranges.
Ductility is very important parameter in seismic design of RC members such as beams where it allows RC beams to dissipate the seismic energy. In this field, the curvature ductility has taken a large part of interest compared to the deflection ductility. For this reason, the present paper aims to propose a general formula for predicting the deflection ductility factor of RC beams under mid-span load. Firstly, the moment area theorem is used to develop a model in order to calculate the yield and the ultimate deflections; then this model is validated by using some results extracted from previous researches. Secondly, a general formula of deflection ductility factor is written based on the developed deflection expressions. The new formula is depended on curvature ductility factor, beam length, and plastic hinge length. To facilitate the use of this formula, a parametric study on the curvature ductility factor is conducted in order to write it in simple manner without the need for curvature calculations. Therefore, the deflection ductility factor can be directly calculated based on beam length, plastic hinge length, concrete strength, reinforcement ratios, and yield strength of steel reinforcement. Finally, the new formula of deflection ductility factor is compared with the model previously developed based on the moment area theorem. The results show the good performance of the new formula.
This paper is concerned with the vibration analysis of middle layer cylindrical shell made of functionally graded material. The outer layers and inner layer are composed of functionally graded and isotropic material respectively. The Rayleigh Ritz method is applied to solve the presented shell dynamics equations. Two configurations are constructed with layers distributions. Fundamental natural frequencies of the three layered cylindrical shell is plotted against the circumferential wave number with different power law exponents. The frequency decreases with the increase of power law exponent. The fundamental natural frequencies first decreases and fall down to its minimum value, after frequencies increases with circumferential wave number. This is due to change in the magnitude of extensional and bending energies of the cylindrical shells. The computer software MATLAB has been employed for the computation of presented frequencies and tested the results obtained in order to assess the accuracy and validity of the cylindrical shell model for predicting the vibration frequencies of cylindrical shell.
This paper presents an experimental investigation into the effectiveness of using carbon fibre reinforced polymer (CFRP) and steel plates to repair damaged reinforced concrete (RC) beams with circular web openings at shear zones. It highlights the effectiveness of externally bonded CFRP and steel plates in repairing damaged RC beams by analysing the repaired beams'load capacity, deflection, strain, and failure mode. For the experiment, a total of five beams were used, with one solid beam as a control beam and the other four beams having an opening near the shear zone. Two beams with openings were repaired using inclined and vertical configuration CFRP plates, and the other two were repaired using inclined and vertical configuration steel plates. The results confirm the effectiveness of CFRP and steel plates for repairing damaged RC beams with circular openings. The CFRP and steel plates significantly increase ultimate capacity and reduce deflection under the openings. The inclined configuration of both CFRP and steel plates was more effective than the vertical configuration. Using an inclined configuration not only increases the ultimate capacity of the beams but also changes the mode of failure from shear to flexural.
In the hogging bending moment area, continuous composite beams are subjected to the ultimate limit state of lateral-torsional buckling (LTB), which depends on web stiffness as well as concrete slab and shear connection stiffnesses. The design of the LTB and the determination of the elastic critical moment are produced approximately, using the European Standard EN 1994-1-1:2004, for continuous composite steel beams, but is applicable only for those with a plane web steel profile. Also, and from the previous researches, the elastic critical moment of the continuous composite beams with corrugated sinusoidal web steel profiles was determined. In this paper, a finite element analysis (FEA) model was developed using the ANSYS 16 software, to determine the elastic critical moments of continuous composite steel beams with various corrugated web profiles, such as trapezoidal, zigzag, and rectangular profiles, which were evaluated against numerical data of the sinusoidal one from the literature. Ultimately, the failure load of a composite steel beam with various web profiles was predicted by studying 46 models, based on FEA modeling, and a procedure for predicting the elastic critical moment of composite beams with various web steel profiles was proposed. When compared to sinusoidal web profiles, the trapezoidal, zigzag, and rectangular web profiles required an average increase in load capacity and stiffness of 7%, 17.5%, and 28%, respectively, according to the finite element analysis. Also, the rectangular web steel profile has a greater stiffness and load capacity. In contrast, the sinusoidal web has lower values for these characteristics.
This paper firstly proposed high performance composite columns for cold-region infrastructures using ultra-high performance concrete (UHPC) and ultra-high strength steel (UHSS) Q960E. Then, 24 square UHPC-filled UHSS tubes (UHSTCs) at low temperatures of -80, -60, -30, and 30℃ were performed under axial loads. The key influencing parameters on axial compression performance of UHSS were studied, i.e., temperature level and UHSS-tube wall thickness (t). In addition, mechanical properties of Q960E at low temperatures were also studied. Test results revealed low temperatures improved the yield/ultimate strength of Q960E. Axial compression tests on UHSTCs revealed that the dropping environmental temperature increased the compression strength and stiffness, but compromised the ductility of UHSTCs; increasing t significantly increased the strength, stiffness, and ductility of UHSTCs. This study developed numerical and theoretical models to reproduce axial compression performances of UHSTCs at low temperatures. Validations against 24 tests proved that both two methods provided reasonable simulations on axial compression performance of UHSTCs. Finally, simplified theoretical models (STMs) and modified prediction equations in AISC 360, ACI 318, and Eurocode 4 were developed to estimate the axial load capacity of UHSTCs at low temperatures.
In this study, an equivalent boundary conditions (BCs) determination method is developed numerically for a panel reinforced concrete (RC) slab to realistically analyze the deformation and fatigue behaviors of a bridge RC slab. For this purpose, a finite element analysis of a bridge RC slab is carried out beforehand to calculate the stiffness of the bridge RC slab, and then the equivalent BCs for the panel RC slab are determined to achieve the same stiffness at the BCs to the obtained stiffness of the bridge RC slab at the corresponding locations of the bridge RC slab. Moreover, for the simulation of fatigue behaviors, fatigue analysis of the panel RC slab is carried out employing a finite element method based on a numerical model that considers the bridging stress degradation. Both the determined equivalent BCs and the BCs that have been typically applied in past studies are employed. The analysis results confirm that, in contrast to the panel RC slab with typically used BCs, the panel RC slab with equivalent BCs simulate the same bending moment distribution and deformation behaviors of the bridge RC slab. Furthermore, the equivalent BCs reproduce the extensive grid crack pattern in the panel RC slab, which is alike the pattern normally witnessed in a bridge RC slab. Conclusively, the panel RC slab with equivalent BCs behaves identical to the bridge RC slab, and, as a result, it shows more realistic fatigue behaviors observed in the bridge RC slab.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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