This paper presents some of the results from an experimental research project on the behavior of extended end-plate connections subjected to moment conducted at the Structural Laboratory of Jordan University of Science and Technology. Since the connection behavior affects the structural frame response, it must be included in the global analysis and design. In this study, the behavior of six full-scale stiffened and unstiffened cantilever connections of HEA- and IPE-sections has been investigated. Eight high strength bolts were used to connect the extended end-plate to the column flange in each case. Strain gauges were installed inside each of the top six bolts in order to obtain experimentally the actual tension force induced within each bolt. Then the connection behavior is characterized by the tension force in the bolt, extended end-plate behavior, moment-rotation relation, and beam and column strains. Some or all of these characteristics are used by many Standards; therefore, it is essential to predict the global behavior of column-beam connections by their geometrical and mechanical properties. The experimental test results are compared with two theoretical (equal distribution and linear distribution) approaches in order to assess the capabilities and accuracy of the theoretical models. A simple model of the joint is established and the essential parameters to predict its strength and deformational behavior are determined. The equal distribution method reasonably determined the tension forces in the upper two bolts while the linear distribution method underestimated them. The deformation behavior of the tested connections was characterized by separation of the column-flange from the extended end-plate almost down to the level of the upper two bolts of the lower group and below this level the two parts remained in full contact. The neutral axis of the deformed joint is reasonably assumed to pass very close to the line joining the upper two bolts of the lower group. Smooth monotonic moment-rotation relations for the all tested frames were observed.
A close form solution of the maximum deflection for cracked columns with rectangular cross-sections was developed and thus the elastic buckling behavior and ultimate bearing capacity were studied analytically. First, taking into account the effect of the crack in the potential energy of elastic systems, a trigonometric series solution for the elastic deflection equation of an arbitrary crack position was derived by use of the Rayleigh-Ritz energy method and an analytical expression of the maximum deflection was obtained. By comparison with the rotational spring model (Okamura et al. 1969) and the equivalent stiffness method (Sinha et al. 2002), the advantages of the present solution are that there are few assumed conditions and the effect of axial compression on crack closure was considered. Second, based on the above solutions, the equilibrium paths of the elastic buckling were analytically described for cracked columns subjected to both axial and eccentric compressive load. Finally, as examples, the influence of crack depth, load eccentricity and column slenderness on the elastic buckling behavior was investigated in the case of a rectangular column with a single-edge crack. The relationship of the load capacity of the column with respect to crack depth and eccentricity or slenderness was also illustrated. The analytical and numerical results from the examples show that there are three kinds of collapse mechanisms for the various states of cracking, eccentricity and slenderness. These are the bifurcation for axial compression, the limit point instability for the condition of the deeper crack and lighter eccentricity and the fracture for higher eccentricity. As a result, the conception of critical transition eccentricity $(e/h)_c$, from limit-point buckling to fracture failure, was proposed and the critical values of $(e/h)_c$ were numerically determined for various eccentricities, crack depths and slenderness.
This paper presents the results of a series of tests carried out on hollow and concrete-filled coldformed steel sections subjected to axial and bending forces. The effects of eccentricity ratio and strength of in-fill on the behaviour of these sections were studied. A total of forty-eight medium sized columns and six beams were tested to failure. Extensive measurements of material properties, strains, axial shortening and lateral deflection were carried out. Interaction of local and overall buckling was observed in the tests. Failure mode observations were local buckling coupled with overall buckling. A description of the specially fabricated end fixtures for applying eccentric loading to the columns and to simulate pinned end condition is also presented. The experimental results of hollow columns are compared with the existing Indian, British and American codes of practice and the results of concrete-filled columns are compared with EC4 recommendations. It is seen that in the case of hollow columns predictions based on British and American codes of practice and in the case of concrete-filled columns predictions based on EC4 recommendations agree reasonably well with the experimental results. From the experiments it is seen that the provision of in-fill substantially increases the ultimate load carrying capacity of the order of one and a half to two times and the increase in strength of the in-filled concrete from a low grade concrete of compressive strength 24.94 MPa to a high grade concrete of compressive strength 33.26 MPa increases the ultimate load carrying capacity by one and a half times irrespective of the eccentricity of loading.
This paper presents numerical simulations of partially encased composite columns (PEC) with equivalent steel sections. The composite section of PEC column consists of thin walled welded H- shaped steel section with transverse links provided at regular intervals between the flanges. Concrete is poured in the space between the flanges and the web plate. Most of the structural analysis and design software do not handle such composite members due to highly nonlinear material behavior of concrete as well as due to the complex interfacial behaviour of steel and concrete. In this paper an attempt has been made to replace the steel concrete composite section by an equivalent steel section which can be easily incorporated in the design and analysis software. The methodology used for the formulation of the equivalent steel section is described briefly in the paper. Finite element analysis is conducted using the equivalent steel section of partially encased composite columns tested under concentric gravity loading. The reference test columns are obtained from the literature, encompassing a variety of geometric and material properties. The finite element simulations of the composite columns with equivalent steel sections are found to predict the experimental behaviour of partially encased composite columns with very good accuracy.
In a recent tragic fire incident, the Plasco Tower collapsed after an intense outburst of fire lasting for three and a half hours and claiming the lives of 16 firefighters and 6 civilians. This paper will present continuing collaborative work between Hong Kong Polytechnic University and Queen's University in Canada to model the progressive collapse of the tower. The fire started at the 10th floor and was observed to have travelled along the floor horizontally and through the staircase and windows vertically. Plasco Tower was steel structure and all the steel sections were fabricated by welding standard European channel or angle profiles and no fire protection was applied. Four internal columns carried the loads transferred by the primary beams, and box columns were constructed along the perimeter of the building as a braced tube for resisting seismic loading. OpenSees fibre-based sections and displacement-based beam-column elements are used to model the frames, while shell elements are used for the reinforced concrete floor slabs. The thermal properties and elevated temperature mechanical properties are as recommended in the Eurocodes. The results in this preliminarily analysis are based on rough estimations of the structure's configuration. The ongoing work looks at modeling the Plasco Tower based on the most accurate findings from reviewing many photographs and collected data.
This paper presents a simplified model to capture the nonlinear behavior of steel frames depending on the spread of plasticity method. New interaction formulae were derived to evaluate the plastic strength for I-shaped steel sections under uniaxial bending moment and axial compression load. Also, new empirical formulae were derived to evaluate the tangent stiffness modulus of steel I-shaped cross-sections considering the effect of the residual stresses suggested by the specifications in European Convention for Construction Steelworks (ECCS). The secant stiffness which depends on the tangent modulus is used to evaluate the internal forces. Based on stiffness matrix method, a finite element analysis program was developed for the nonlinear analysis of space steel frames using the derived formulae. Comparison between the proposed model results with those given by the fiber model shows very good agreement. Numerical examples were introduced to verify, check the accuracy, and evaluate the efficiency of the proposed model. The analysis results show that the new proposed model is accurate and able to minimize the solution time.
Park, Jong Won;Kang, Seoung Min;Hwang, In Kyu;Kang, Tae Kyoung;Kwon, Ki Ju
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.13
no.4
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pp.395-405
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2001
A test program was conducted on seismic-resistant steel moment connections constructed using Reduced Beam Sections with beam web openings. In the connection, in order to enhance ductility capacity under severe cyclic loads, a portion of the beam web near the beam-to-column connection is cut out instead of the beam flange as in dogbone connections. A total of 4 large scale specimens were tested in this program. The specimens were all made using $H-458{\times}417{\times}30{\times}50$ sections for the columns and $H-792{\times}300{\times}14{\times}22$ sections for the beams. Test specimens showed excellent performance similar to that of dogbone connections.
In this study, an effective load increment method for multi modal adaptive non-linear static (pushover) analysis (NSA) for building type structures is presented. In the method, lumped plastisicity approach is adopted and geometrical non-linearties (second-order effects) are included. Non-linear yield conditions of column elements and geometrical non-linearity effects between successive plastic sections are linearized. Thus, load increment needed for formation of plastic sections can be determined directly (without applying iteration or step-by-step techniques) by using linearized yield conditions. After formation of each plastic section, the higher mode effects are considered by utilizing the essentials of traditional response spectrum analysis at linearized regions between plastic sections. Changing dynamic properties due to plastification in the system are used on the calculation of modal lateral loads. Thus, the effects of stiffness changes and local mechanism at the system on lateral load distribution are included. By using the proposed method, solution can be obtained effectively for multi-mode whereby the properties change due to plastifications in the system. In the study, a new procedure for determination of modal lateral loads is also proposed. In order to evaluate the proposed method, a 20 story RC frame building is analyzed and compared with Non-linear Dynamic Analysis (NDA) results and FEMA 356 Non-linear Static Analysis (NSA) procedures using fixed loads distributions (first mode, SRSS and uniform distribution) in terms of different parameters. Second-order effects on response quantities and periods are also investigated. When the NDA results are taken as reference, it is seen that proposed method yield generally better results than all FEMA 356 procedures for all investigated response quantities.
The present study aims to determine the structural response of full scaled rectangular columns under both of vertical and lateral loads using numerical methods. In the study, the composite columns considering full concrete filled circular steel tube (FCFRST) and concrete filled double-skin rectangular steel tube (CFDSRST) section types are numerically modelled using ANSYS software. Vertical and lateral loads are applied to models to assess the structural response of the composite elements. Also similar investigations are done for reinforced concrete rectangular (RCR) columns to compare the results with those of composite elements. The analyses of the systems are statically performed for both linear and nonlinear materials. In linear static analyses, both of vertical and lateral loads are applied to models as only one step. However in nonlinear analyses, while vertical loads are applied to model as only one step, lateral loads are applied to systems as step by step. The displacement and stress changes in some critical nodes and sections and contour diagrams are reported by graphs and figures. At the end of the study, it is demonstrated that the nonlinear models reveal more accurate result then those of linear models. Also, it is highlighted that composite columns provide more and more safety, ductility compared to reinforced concrete column.
Jeong, Jin Seob;Lee, Byoung Koo;Kim, Gwon Sik;Kim, Jong Ung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.17
no.6
s.79
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pp.699-705
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2005
This paper investigates critical loads of tapered cantilever columns with a tip mass, subjected to a follower force. The linearly tapered solid rectangular cross-sections are adopted as the column taper. The differential equation governing free vibrations of such columns, also called Beck's columns, is derived using the Bernoulli-Euler beam theory. Both divergence and flutter critical loads are calculated from the load-frequency curves that are obtained by solving the differential equation. The critical loads are presented as functions of various non-dimensional system parameters, namely, the taper type, the subtangential parameter, and the mass ratio.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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