This paper presents experimental study on effects of width-to-thickness ratio and loading history on cyclic rotational capacity of H-shaped steel beams subjected to pure bending. Eight Class 3 and 4 H-shaped beams with large width-to-thickness ratios were tested under four different loading histories. The coupling effect of local buckling and cracking on cyclic rotational capacity of the specimens was investigated. It was found that loss of the load-carrying capacity was mainly induced by local buckling, and ductile cracking was a secondary factor. The width-to-thickness ratio plays a dominant effect on the cyclic rotational capacity, and the loading history also plays an important role. The cyclic rotational capacity can decrease significantly due to premature elasto-plastic local buckling induced by a number of preceding plastic reversals with relative small strain amplitudes. This result is mainly correlated with the decreasing tangent modulus of the structural steel under cyclic plastic loading. In addition, a theoretical approach to evaluate the cyclic rotational capacity of H-shaped beams with different width-to-thickness ratios was also proposed, which compares well with the experimental results.
Friction energy dissipative devices have been increasingly implemented as structural seismic damage protecting systems due to their excellent seismic energy dissipating capacity and high stiffness. This study develops rotational friction energy dissipative devices and verifies experimentally their cyclic response. Based on the understanding of the differences between the traditional linear-motion friction behavior and the rotational friction behavior, the configuration of the frictional surface was determined by investigating the characteristics of the micro-friction behavior. The friction surface suggested in this paper consists of brake-lining pads and stainless steel sheets and is normally stressed by high-strength bolts. Based upon these frictional characteristics of the selected interface, the rotational friction energy dissipative devices were developed. Bolt torque-bearing force tests, rotational friction tests of the suggested friction interfaces were carried out to identify their frictional behavior. Test results show that the bearing force is almost linearly proportional to the applied bolt torque and presents stable cyclic response regardless of the experimental parameters selected this testing program. Finally, cyclic tests of the rotational friction energy dissipative devices were performed to find out their structural characteristics and to confirm their stable cyclic response. The developed friction energy dissipative devices present very stable cyclic response and meet the requirements for displacement-dependent energy dissipative devices prescribed in ASCE/SEI 7-10.
Structures submitted to Fire-After-Earthquake loading situations, are first experiencing inelastic deformations due to the seismic action and are then submitted to the thermal loading. This means that in the case of steel framed structures, at the starting point of the fire, plastic hinges have already been formed at the ends of the beams. The basic objective of this paper is the evaluation of the rotational capacity of steel I-section beams damaged due to prior earthquake loading, at increased temperatures. The study is conducted numerically and three-dimensional models are used in order to capture accurately the nonlinear behaviour of the steel beams. Different levels of earthquake-induced damage are examined in order to study the effect of the initial state of damage to the temperature-evolution of the rotational capacity. The study starts with the reference case where the beam is undamaged and in the sequel cyclic loading patterns are taken into account, which represent earthquakes loads of increasing magnitude. Additionally, the study extends to the evaluation of the ultimate plastic rotation of the steel beams which corresponds to the point where the rotational capacity of the beam is exhausted. The aforementioned value of rotation can be used as a criterion for the determination of the fire-resistance time of the structure in case of Fire-After-Earthquake situations.
Blandon, Carlos A.;Smith-Pardo, J. Paul;Ortiz, Albert
Earthquakes and Structures
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제8권3호
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pp.591-617
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2015
Standards for seismic assessment and retrofitting of buildings provide deformation limit states for structural members and connections. However, in order to perform fully consistent performance-based seismic analyses of soil-structure systems; deformation limit states must also be available for foundations that are vulnerable to nonlinear actions. Because such limit states have never been established in the past, a laboratory testing program was conducted to study the rotational capacity of small-scale foundation models under combined axial load and moment. Fourteen displacement-controlled monotonic and cyclic tests were performed using a cohesionless soil contained in a $2.0{\times}2.0{\times}1.2m$ container box. It was found that the foundation models exhibited a stable hysteretic behavior for imposed rotations exceeding 0.06 rad and that the measured foundation moment capacity complied well with Meyerhof's equivalent width concept. Simplified code-based soil-structure analyses of an 8-story building under an array of strong ground motions were also conducted to preliminary evaluate the implication of finite rotational capacity of vulnerable foundations. It was found that for the same soil as that of the experimental program foundations would have a deformation capacity that far exceeds the imposed rotational demands under the lateral load resisting members so yielding of the soil may constitute a reliable source of energy dissipation for the system.
The maximum ductility and cumulative ductility of connection joints of Buckling-Restrained Braced Frames (BRBF) are critical to the structural overall performance, which should be matched with the BRB ductility. The two-story and one-span BRBF with a one-third scale was tested under cyclic quasi-static loading, and the top-flange beam splice (TFBS) rotational connections were proposed and adopted in BRBF. The deformation capacity of TFBS connections was observed during the test, and the relationship between structural global ductility and local connection ductility was studied. The rotational capacity of the beam-column connections and the stability performance of the BRBs are highly relevant to the structural overall performance. The hysteretic curves of BRBF are stable and full under large displacement demand imposed up to 2% story drift, and energy is dissipated as the large plastic deformation developed in the structural components. The BRBs acted as fuses and yielded first, and the cumulative plastic ductility (CPD) of BRBs is 972.6 of the second floor and 439.7 of the first floor, indicating the excellent energy dissipation capacity of BRBs. Structural members with good local ductility ensure the large global ductility of BRBF. The ductile capacity and hysteretic behavior of BRBF with TFBS connections were compared with those of BRBF with Reduced Beam Section (RBS) connections in terms of the experimental results.
An integral crank driven Stirling cryocooler is solidly based on concepts of direct IR detector mounting on the cryocooler's cold finger, and the integral construction of the cryocooler and Dewar envelope. Performance factors of the cryocooler depend on operating conditions of the cryocooler such as a cyclic mean pressure of the working fluid, a rotational speed of driving mechanism, a thermal environment, a targeted operation temperature and etc.. At given charging condition of helium gas, the cyclic mean pressure of helium gas in the cryocooler changes with temperatures of the cold end and the environment. In this study, effects of the cyclic mean pressure of helium gas on performances of the Stirling cryocooler were investigated by numerical analyses using the Sage software. The simulation model takes into account thermodynamic losses due to an inefficiency of regenerator, a pressure drop, a shuttle heat transfer and solid conductions. Simulations are performed for the performance variation according to the cyclic mean pressure induced by the temperature of the cold end and the environment. This paper presents P-V works in the compression and expansion space, cooling capacity, contribution of losses in the expansion space.
Xue, Jianyang;Qi, Liangjie;Dong, Jinshuang;Xu, Dan
Earthquakes and Structures
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제14권3호
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pp.241-248
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2018
To study the mechanical properties of joints in ancient timber buildings in depth, the force mechanism of the through-tenon joints was analyzed, also the theoretical formulas of the moment-rotation angles of the joints with different loosening degrees were deduced. To validate the rationality of the theoretical calculation formulas, six joint models with 1/3.2 scale ratio, including one intact joint and five loosening joints, were fabricated and tested under cyclic loading. The specimens underwent the elastic stage, the plastic stage and the destructive stage, respectively. At the same time, the moment-rotation backbone curves of the tenon joints with different looseness were obtained, and the theoretical calculation results were validated when compared with the experimental results. The results show that the rotational moment and the initial rotational stiffness of the tenon joints increase gradually with the increase of the friction coefficient. The increase of the tenon section height can effectively improve the bearing capacity of the through-tenon joints. As the friction coefficient of the wood and the insertion length of the tension increase, the embedment length goes up, whereas it decreases with the increase of section height. With the increase of the looseness, the bearing capacity of the joint is reduced gradually.
The purpose of this study is to propose an analytical model for the simulation of the hysteretic behavior of RC (reinforced concrete) beam-column subassemblages under various loading histories. The discrete line element with inelastic rotational springs is adopted to model the different locations of the plastic hinging zone. The hysteresis model can be adopted for a dynamic two-dimensional inelastic analysis of RC frame structures. From the analysis of test results it is found that the stiffness deterioration caused by inelastic loading can be simulated with a function of basic pinching coefficients, ductility ratio and yield strength ratio of members. A new strength degradation coefficient is proposed to simulate the inelastic behavior of members as a function of the transverse steel spacing and section aspect ratio. The energy dissipation capacities calculated using the proposed model show a good agreement with test results within errors of 27%.
An experimental study of five full-scale coupling beam specimens has been conducted to investigate the seismic behavior of strengthened RC coupling beams by bolted side steel plates using a reversed cyclic loading procedure. The strengthened coupling beams are fabricated with different plate thicknesses and shear connector arrangements to study their respective effects on load-carrying capacity, strength retention, stiffness degradation, deformation capacity, and energy dissipation ability. The study revealed that putting shear connectors along the span of coupling beams produces no significant improvement to the structural performance of the strengthened beams. Translational and rotational partial interactions of the shear connectors that would weaken the load-carrying capacity of the steel plates were observed and measured. The hierarchy of failure of concrete, steel plates, and shear connectors was identified. Furthermore, detailed effects of plate buckling and various arrangements of shear connectors on the post-peak behavior of the strengthened beams are discussed.
국내 현실에 적합한 내진 접합부 상세 개발과 평가를 위하여 국내 중저층 철골건물에 적용되는 단면을 갖는 보와 기둥으로 구성 된 접합부 실험체를 선정하여 반복재하 실험을 수행하였다. 실험변수는 접합부 형식과 강종이며 새로 개발된 내진용 형강(SHN490)과 기존 형강 (SM490)의 성능 차이를 비교하였다. 소재인장시험결과에 의하면 SHN490 형강의 항복강도와 인장강도의 분포는 SM490형강의 분포보다 균일한 것으로 평가되었다. 접합부 실험체의 용접부에서의 취성파괴는 관찰되지 않았고 소정의 소성변형 능력을 발휘한 후 보 플랜지의 열영향부나 용 접접근공의 응력집중부위에서 파단이 발생하였다. 동일한 강종으로 구성된 실험체의 경우, 보의 웨브가 볼트에 의하여 기둥에 연결된 접합부 (WUF-B)보다는 용접에 의하여 연결된 접합부(WUF-W)의 회전과 에너지 소산능력이 더 컸다. 또한 동일한 접합부 형식의 실험체에서는 SM490 형강으로 구성된 실험체보다는 SHN490 실험체의 회전과 에너지 소산능력이 더 컸다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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