The Big Bang-Big Crunch (BB-BC) optimization algorithm is developed for optimal design of non-linear steel frames with semi-rigid beam-to-column connections. The design algorithm obtains the minimum total cost which comprises total member plus connection costs by selecting suitable sections. Displacement and stress constraints together with the geometry constraints are imposed on the frame in the optimum design procedure. In addition, non-linear analyses considering the P-${\Delta}$ effects of beam-column members are performed during the optimization process. Three design examples with various types of connections are presented and the results show the efficiency of using semi-rigid connection models in comparing to rigid connections. The obtained optimum semi-rigid frames are more economical solutions and lead to more realistic predictions of response and strength of the structure.
This paper presents a combined experimental and numerical study on stainless steel end-plate connections, with an emphasis placed on their ultimate behaviour and rotation capacity. In the experimental phase, six connection specimens made of austenitic and lean duplex stainless steels are tested under monotonic loads. The tests are specifically designed to examine the close-to-failure behaviour of the connections at large deformations. It is observed that the rotation capacity is closely related to fractures of the stainless steel bolts and end-plates. In the numerical phase, an advanced finite element model suitable for fracture simulation is developed. The incorporated constitutive and fracture models are calibrated based on the material tests of stainless steel bolts and plates. The developed finite element model exhibits a satisfactory accuracy in predicting the close-to-failure behaviour of the tested connections. Finally, the moment resistance and rotation capacity of stainless steel end-plate connections are assessed based on the experimental tests and numerical analyses.
This paper presents a computational study of column loss scenarios for typical multi-story steel buildings with perimeter moment frames and composite steel-concrete floors. Two prototype buildings (three-story and ten-story) were represented using three-dimensional nonlinear finite element models and explicit dynamic analysis was used to simulate instantaneous loss of a first-story column. Twelve individual column loss scenarios were investigated in the three-story building and four in the ten-story building. This study provides insight into: three-dimensional load redistribution patterns; demands on the steel deck, concrete slab, connections and members; and the impact of framing configuration, building height and column loss location. In the dynamic simulations, demands were least severe for perimeter columns within a moment frame, but the structures also exhibited significant load redistribution for interior column loss scenarios that had no moment connectivity. Composite action was observed to be an important load redistribution mechanism following column loss and the concrete slab and steel deck were subjected to high localized stresses as a result of the composite action. In general, the steel buildings that were evaluated in this study demonstrated appreciable robustness.
Abbu, Muthanna A.;Ekmekyapar, Talha A.;Ozakca, Mustafa A.
Steel and Composite Structures
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v.17
no.3
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pp.237-252
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2014
The use of composite structures is increasingly present in civil building works. Composite Box Girder Bridges (CBGB), particularly, are study of effect of shear connector's numbers and distribution on the behavior of CBGBs is submitted. A Predicti structures consisting of two materials, both connected by metal devices known as shear connectors. The main functions of these connectors are to allow for the joint behavior of the girder-deck, to restrict longitudinal slipping and uplifting at the element's interface and to take shear forces. This paper presents 3D numerical models of CBGBs to simulate their actual structural behavior, with emphasis on the girder-deck interface. Additionally, a Prediction of several FE models is assessed against the results acquired from a field test. A number of factors are considered, and confirmed through experiments, especially full shear connections, which are obviously essential in composite box girder. A good representation for shear connectors by suitable element type is considered. Numerical predictions of vertical displacements at critical sections fit fairly well with those evaluated experimentally. The agreement between the FE models and the experimental models show that the FE model can aid engineers in design practices of box girder bridges. Preliminary results indicate that number of shear studs can be significantly reduced to facilitate adoption of a new arrangement in modeling CBGBs with full composition. However, a further feasibility study to investigate the practical and economic aspects of such a remedy is recommended, and it may represent partial composition in such modeling.
Semi-rigid connections are the actual behavior of beam-to-column connections in steel frames. However, the behavior of semi-rigid connections is not taken into account for the simplicity in the conventional analysis and design of steel frames. A computer-based analysis and design has been studied for the three-dimensional steel frames with semi-rigid connections. The nonlinear analysis which includes the effects of the flexibility of connections is used for this study. It is designed according to the buckling and combined stress constraints under the present loading after the joint deformations and the member end forces of the space frame are determined by the stiffness matrix method. The semi-rigid connection type is limited to the top and bottom angles with a double web angle connection. The Frye-Morris polynomial model is used to describe the non-linear behavior of semi-rigid connections. Various design examples are presented to demonstrate the efficiency of the method. The results of design and analysis of unbraced semi-rigid frames are compared to the results of unbraced rigid frames under the same design requirements.
Girao Coelho, Ana M.;Simoes da Silva, Luis;Bijlaard, Frans S.K.
Steel and Composite Structures
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v.6
no.1
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pp.33-53
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2006
The rotational behaviour of bolted extended end plate beam-to-column connections is evaluated in the context of the component method. The full moment-rotation response is characterized from the force-deformation curve of the individual joint components. The deformability of end plate connections is mostly governed by the bending of the column flange and/or end plate and tension elongation of the bolts. These components form the tension zone of the joint that can be modelled by means of "equivalent T-stubs". A systematic analytical procedure for characterization of the monotonic force-deformation behaviour of individual T-stub connections is proposed. In the framework of the component method, the T-stub is then inserted in the joint spring model to generate the moment-rotation response of the joint. The procedures are validated with the results from an experimental investigation of eight statically loaded extended end plate bolted moment connections carried out at the Delft University of Technology. Because ductility is such an important property in terms of joint performance, particularly in the partial strength joint scenario, special attention is given to this issue.
Due to aesthetic, economic, and structural performance, the use of structural hollow sections as columns in both continuous moment resisting and nominally pinned construction is attractive. Connecting the beams to these sections is somewhat problematic as there is no access to the interior of the section to allow for the tightening of a standard bolt. Therefore, bolts that may be tightened from one side, i.e., blind bolts, have been developed to facilitate the use of site bolting for this arrangement. This paper critically reviews available information concerning blind bolting technology, especially the performance of fasteners in shear, tension, and moment resisting connections. Also provided is an explanation of the way in which the results have been incorporated into design guidance covering the particular case of nominally pinned connections. For moment resisting connections, it is concluded that whilst the principle has been adequately demonstrated, sufficient data are currently not available to permit the provision of authoritative design guidance. In addition, inherent flexibilities in the connections mean that performance equivalent to full strength and rigid is unlikely to be achievable: a semicontinuous approach to frame design will therefore be necessary.
Cold-formed steel structures are increasingly attractive due to their benefits of good mechanical performance and constructional advantages. However, this type of construction is still not fully exploited as a result of the acknowledged difficulties involved in forming construction-efficient and cost-effective connections. Furthermore, there is a lack of information on the structural behavior of the cold-formed steel connections. In this study, the research on various cold-formed steel connections was comprehensively reviewed from both fundamental and structural points of view, based on the available experimental and analytical data. It reveals that the current design codes and guidelines for cold-formed steel connections tend to focus more on the individual bearing capacity of the fasteners rather than the overall structural behavior of the connections. Significant future work remains to be conducted on the structural performance of cold-formed steel connection. In addition, extensive previous research has been carried out to propose and evaluate an economical and efficient connection system that is obtained from the conventional connecting techniques used in the hot-rolled industry. These connecting techniques may not be suitable, however, as they have been adopted from hot-rolled steel portal frames due to the thinness of the sheet in cold-formed steels. The review demonstrates that with the increasing demand for cold-formed steel constructions throughout the world, it is crucial to develop an efficient connection system that can be prefabricated and easily assembled on site.
It is known that material properties, connection quality and manufacturing methods are among the important factors directly affecting the behavior of steel connections and hence steel structures. The possible performance differences between a fabricated connection and its computer model may cause critical design problems for steel structures. Achieving a reliable design depends, however, on how accurately the material properties and relevant constitutive models are considered to characterize the behavior of structures. Conventionally, the stress and strain fields in structural steel connections are calculated using the finite elements method with assumed material properties and constitutive models. Because the conventional strain gages allow the measurement of deformation only at one point and direction for specific time duration, it is not possible to determine the general characteristics of stress-strain distributions in connections after the laboratory performance tests. In this study, a new method is introduced to measure displacement distribution of simple steel welded connections under tension tests. The method is based on analyzing digital images of connection specimens taken periodically during the laboratory tension test. By using this method, displacement distribution of steel connections can be calculated with an acceptable precision for the tested connections. Calculated displacements based on the digital image correlation method are compared with those calculated using the finite elements method.
This study investigates the effect of bolt preloading on the rotational stiffness of stainless steel end-plate connections. An experimental programme incorporating 11 full-scale joint specimens are carried out comparing the behaviours of fully pre-tensioned (PT) and snug-tightened (ST) flush/extended end-plate connections, made of austenitic or lean duplex stainless steels. It is observed from the tests that the presence of bolt preloading leads to a significant increase in the rotational stiffness. A parallel finite element analysis (FEA) validated against the test results demonstrates that the geometric imperfection of end-plate has a strong influence on the moment-rotation response of preloaded end-plate connections, which is crucial to explain the observed "two-stage" behaviour of these connections. Based on the data obtained from the tests and FE parametric study, the performance of the Eurocode 3 predictive model is evaluated, which exhibits a significant deviation in predicting the rotational stiffness of stainless steel end-plate connections. A modified bi-linear model, which incorporates three key properties, is therefore proposed to enable a better prediction. Finally, the effect of bolt preloading is demonstrated at the system (structure) level considering the serviceability of semi-continuous stainless steel beams with end-plate connections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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