Modular construction is an emerging technology to accommodate the increasing restrictions in terms of construction period, energy efficiency and environmental impacts, since each structural module is prefabricated offsite beforehand and assembled onsite using industrialized techniques. However, some innate structural drawbacks of this innovative method are also distinct, such as connection tying inaccessibility, column instability and system robustness. This study aims to explore the theoretical and numerical stability analysis of a tenon-connected square hollow section (SHS) steel column to address the tying and stability issue in modular construction. Due to the excellent performance of composite structures in fire resistance and buckling prevention, concrete-filled steel tube (CFST) columns are also taken into account in the analysis to evaluate the feasibility of adopting composite sections in modular buildings. Characteristic equations with three variables, i.e., the length ratio, the bending stiffness ratio and the rotational stiffness ratio, are generated from the fourth-order governing differential equations. The rotational stiffness ratio is recognized as the most significant factor, with interval analysis conducted for its mechanical significance and domain. Numerical analysis using ABAQUS is conducted for validation of characteristic equations. Recommendations and instructions in predicting the buckling performance of both SHS and CFST columns are then proposed.
An advanced numerical method is proposed in this paper for the second-order inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges using rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) columns under earthquake loadings for the first time. The proposed method can exactly predict the nonlinear response of the bridges by using only one element per member in simulating the structural model. This comes from considering both the geometric and material nonlinearities in a fiber beam-column element and a catenary cable element. In the fiber beam-column element, the geometric nonlinearities are captured by applying the stability functions, whereas the material nonlinearities are evaluated by tracing the uniaxial cyclic stress-strain curves of each fiber on the cross-sections, which are located at the integration points along the member length. A computer program was developed based on Newmark's average acceleration algorithm to solve the nonlinear equations of motion. The accuracy and computational efficiency of the proposed program were verified by comparing the predicted results with the experimental results, and the results obtained from the commercial software SAP2000 and ABAQUS. The proposed program is promising as a useful tool for practical designs for the nonlinear inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges.
This study investigates Equivalent Spherical Diameter (ESD) estimation at high inlet velocity pool scrubbing conditions using the Interfacial Area Transport Equation (IATE) diameter model including bubble-induced turbulence and interphase modeling. The compatibility of area-averaged Sauter Mean Diameter (SMD), areaaveraged Local Equivalent Diameter (LED) and void-weighted area-averaged LED approaches to estimate the ESD are explored and the proposed model is validated against available experimental data. The study reveals that the prevalent constant ESD assumption in pool scrubbing codes is not universal by showcasing a decreasing trend along the column due to intensive bubble breakup. The area-averaged LED approach fails to capture this trend, while the area-averaged SMD and void-weighted area-averaged LED approaches provide accurate estimations aligned with experimental data. Turbulence parameters, interfacial forces, and diameter modeling are identified as crucial for accurate predictions of flow and geometrical variables by setting up the OpenFOAM framework. A sensitivity analysis indicates that the inlet velocity has an acceptable effect on the ESD along the column. The ESD increases near the exit and decreases in the swarm region by increasing the inlet velocities. Turbulent intensity reduces ESD across all column sections while changes in aspect ratio minimally impact ESD. The study shows promise in developing correlations that take into account the spatial variation of ESD in pool scrubbing conditions.
This paper described the ultimate strength and deformation limit of new uniplanar T-joints in cold-formed square hollow sections. The new T-joint had the configuration that only a branch member was oriented at 45 degrees to a chord member in the plane of the truss. This study focused on the branch-rotated T-joints governed by chord web failure. Based on the test results of the T-joint in cold-formed square hollow sections, the deformation lirnit was found to be 3%B for $16.7{\leq}2(B/T){\leq}33.3$ and $0.63{\leq}(b_1/B)=0.7$. Existing strength formulas for traditional T-joint were investigated, and the new strength formula for the branch-rotated T-joint was proposed. This proposed formula was based on column buckling theory considering the rounded corners of cold-formed square hollow sections. Finally, the optimization condition of yield stress and $2{\gamma}$ was recommended to select the optimized chord section.
Ahn, Jin Hee;Kim, Jun Hwan;Kim, Tae Yeon;Kim, Sang Hyo;Lee, Sang Woo
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.6
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pp.611-620
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2007
The beam-column connection is the critical design section of general steel frame structures owing to the behavioral characteristics of the structural system. As most members of a frame structure are composed of rolled section beams, the cross-section of the beam members is governed by the negative bending moment near beam-column connections. Such a design concept leaves a redundant load-carrying capacity at the positive bending regions of the beam members leading to design inefficiency. Therefore, it is of utmost importance to redistribute the beam end moments and reduce the stresses at the beam-column connections for a more efficient design of steel frame structures. In this study, reaction-moment prestressing method (RMPM) was proposed for the innovative design and construction of steel frame structures. The RMPM is a prestressing method utilizing the elastic bending deformation of a beam member induced by temporary prestressing for the distribution of a relatively large bending moment to other sections for the efficient use of the beam section. By the application of the RMPM, the negative bending moment at the beam-column connections can be significantly reduced, ultimately leading to possible use of smaller beam sections. Through a series of model tests and numerical analyses of steel frame structures, the moment distributing effect and feasibility of the RMPM was verified.
We investigated the effect of spectral fitting wavelength interval variations and selection of absorption cross-section on the sulfur dioxide slant column density (SCD) retrievals from the scattered sunlight observation using a UV-Vis hyperspectral instrument. The sulfur dioxide slant column densities were retrieved from the combinations of multiple spectral fitting intervals and absorption cross-sections. The observation was carried out at the site 0.53 km away from a combustion site located in Gimhae from December 1, 2023, to January 23, 2024. The radiances were obtained on the line of measurement sight toward the stack of the combustion facility. The best spectral fitting intervals were found to be from 305.7 to 321.1 nm. In terms of the absorption cross-section dependency, the SO2 (293 K), O3 (223 K, 243 K) show the best spectral fitting for the observed radiances with both the smallest fitting residual and SCD error. The effects of the fitting interval and cross sections found in this study can be useful information for improving SO2 retrievals based on UV hyperspectral measurements.
This paper presents the analytical modeling and finite element (FE) analysis, using ABAQUS software, of the new types of steel reinforced lightweight aggregate concrete (SRLAC) columns with cross-shaped (+shaped and X-shaped) steel section, using proposed three analytical and two FE models in total. The stress-strain material models for different components in the columns, including the confined zones of the lightweight aggregate concrete (LWAC) using three and four concrete zones divisions approaches and with and without taking into account the stirrups reaction effect, are established first. The analytical models for determining the axial load-deformation behavior of the SRLAC columns are drawn based on the materials models. The analytical and FE models' results are compared with previously reported test results of the axially loaded SRLAC columns. The proposed analytical and FE models accurately predict the axial behavior and capacities of the new types of SRLAC columns with acceptable agreements for the load-displacement curves. The LWAC strength, steel section ratio, and steel section configuration affect the contact stress between the concrete and steel sections. The average ratios of the ultimate test load to the three analytical models and FEA model loads, Put /Pa1, Put /Pa2, Put /Pa3, and Put /PFE1, for the tested specimens are 0.96, 1.004, 1.016, and 1.019, respectively. Finally, the analytical parametric studies are also studied, in terms of the effects of confinement, LWAC strength, steel section ratio, and the reinforcement ratio on the axial capacity of the SRLAC column. When concrete strength, confinements, area of steel sections, or reinforcement bars ratio increased, the axial capacities increased.
Kim, Chang-Soo;Park, Hong-Gun;Choi, In-Rak;Chung, Kyung-Soo;Kim, Jin-Ho
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.22
no.5
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pp.497-509
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2010
Five concrete-encased steel columns using high-strength steel($f_{ys}$=801MPa) and high-strength concrete($f_{ck}$=97.7MPa) were tested to investigate the eccentric axial load-displacement relationship. Test parameters included the type, yield strength, and spacing of lateral reinforcement, and also the eccentricity of axial load. To analyze the behavior of the column specimens, the nonlinear sectional analysis using strain-compatibility and confinement effect was performed. To examine the applicability of existing design codes for the composite sections using high-strength materials, the test results were also compared with the predictions by the nonlinear analysis and the design codes. The confinement effect of lateral reinforcement increased the ductility of concrete, and the moment capacity of the column specimens increased with the ductility of concrete. The prediction by the nonlinear analysis gave good agreement with the test results. On the other hand, the ACI 318 neglecting lateral confinement effect underestimated the strength of the column specimens, and the Eurocode 4 using complete plastic capacity of steel section overestimated.
On the basis of the strain-based shear strength model developed in the previous study, a strength model was developed to predict the direct punching shear capacity and unbalanced moment-carrying capacity of interior and exterior slab-column connections. Since the connections are severely damaged by flexural cracking, punching shear was assumed to be resisted mainly by the compression zone of the slab critical section. Considering the interaction with the compressive normal stress developed by the flexural moment, the shear strength of the compression zone was derived on the basis of the material failure criteria of concrete subjected to multiple stresses. As a result, shear capacity of the critical section was defined according to the degree of flexural damage. Since the exterior slab-column connections have unsymmertical critical sections, the unbalanced moment-carrying capacity was defined according to the direction of unbalanced moment. The proposed strength model was applied to existing test specimens. The results showed that the proposed method predicted the strengths of the test specimens better than current design methods.
The aim of the current study is to develop a nonlinear isoparametric layered frame finite element (FE) analysis of FRP strengthened reinforced concrete (RC) beam or column members by a force-based FE formulation. In sections, concrete is modeled in the triaxial stress-strain relationship state and the FRP sheet is modeled as layered composite materials in two-dimension. The element stiffness matrix derived by the force-based FE has the force-interpolation functions without assuming the displacement shape functions. A lateral load test of RC column strengthened by GFRP sheets was analyzed by the developed force-based FE model. From comparative studies of the experimental and analysis results, it was shown to compare with the stiffness FE method that the force-based FE analysis could give more accurate predictions in the overall lateral load-deflection response as well as in nonlinear deformations and damages in the column plastic hinge region.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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