When a welded circular hollow section (CHS) tubular joint is subjected to brace axial loading, failure position is located usually at the weld toe on the chord surface due to the weak flexural stiffness of the thin-walled chord. The failure mode is local yielding or buckling in most cases for a tubular joint subjected to axial load at the brace end. Especially when a cyclic axial load is applied, fracture failure at the weld toe may occur because both high stress concentration and welding residual stress along the brace/chord intersection cause the material in this region to become brittle. To improve the ductility as well as to increase the static strength, a tubular joint can be reinforced by increasing the chord thickness locally near the brace/chord intersection. Both experimental investigation and finite element analysis have been carried out to study the hysteretic behaviour of the reinforced tubular joint. In the experimental study, the hysteretic performance of two full-scale circular tubular T-joints subjected to cyclic load in the axial direction of the brace was investigated. The two specimens include a reinforced specimen by increasing the wall thickness of the chord locally at the brace/chord intersection and a corresponding un-reinforced specimen. The hysteretic loops are obtained from the measured load-displacement curves. Based on the hysteretic curves, it is found that the reinforced specimen is more ductile than the un-reinforced one because no fracture failure is observed after experiencing similar loading cycles. The area enclosed by the hysteretic curves of the reinforced specimen is much bigger, which shows that more energy can be dissipated by the reinforced specimen to indicate the advantage of the reinforcing method in resisting seismic action. Additionally, finite element analysis is carried out to study the effect of the thickness and the length of the reinforced chord segment on the hysteretic behaviour of CHS tubular T-joints. The optimized reinforcing method is recommended for design purposes.
In this study, a continuous optimum design model with its application program for plane steel frame structures developed. In the model, the sequential unconstrained minimization technique (SUMT) transforming the nonlinear optimization problem with multidesign variables and constraints into an unconstrained minimization problem and the refined plastic hinge analysis method as one of the most effective second-order inelastic analysis methods for steel frame structures were implemented. The total weight of a steel frame structure was taken as the objective function, and the AISC-LRFD code requirements for the local and member buckling, flexural strength, shear strength, axial strength and size of the cross-sectional shapes of members were used for the derivation of constraint equations. To verify the appropriateness of the present model, the optimum designs of serveral plane steel frame structures subject to vertical and horizontal loads were conducted.
Han, Jin Hee;Choi, Jong Kyoung;Heo, In Sung;Kim, Sung Bo
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.20
no.2
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pp.279-288
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2008
In this study, the slip behavior of high-tension bolted joints subjected to compression force is investigated through 3D finite element analysis and experiments. The relation with sliding load, bolt deformation, and failure load are studied with the metal thickness affecting the bolted joint. The post-sliding behavior considering bolt stiffness is presented and compared with the results by finite element and experiments. The finite element model is constructed by solid elements in ABAQUS, in consideration of all the friction effects between metal plates and bolts. The stress-strain relations in the literature are used, and the sliding displacements and axial stresses around the bolt connection are investigated. The flexural buckling of species happened when the plate thickness is less than the bolt diameter. However, the shear failures of bolt occurred in the opposite case.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.2
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pp.250-263
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2001
The up and down speed of heddle frames that produce woven cloth by insertion of weft yarns between warp yarns has been increased recently much for productivity improvement, which induces higher inertial stresses and vibrations in the heddle frame. the heddle frame is required to reduce its mass because the heddle frame contributes the major portion of the stresses in the heddle frames during accelerating and decelerating. Conventional aluminum heddle frames have fatigue life of around 5 months at 550rpm due to their low fatigue flexural strength as well as low bending stiffness. In this work, since carbon/epoxy composite materials have high specific fatigue strength(S/p), high specific modulus(E/p), high damping capacity and sandwich construction results in lower deflections and higher buckling resistance, the sandwich structure composed of carbon/epoxy composite skins and polyurethane foam were employed for the high-speed heddle frame. The design map for the sandwich beams was accomplished to determine the optimum thickness and the stacking sequences for the heddle frames. Also the effects of the number of ribs on the stress of the heddle frame were investigated by FEM analyses. Finally, the high-speed heddle frames were manufactured with sandwich structures and the static and dynamic properties of the aluminum and the composite heddle frames were tested and compared with each other.
A composite box-girder with corrugated steel webs has been used in civil engineering practice as an alternative to the conventional pre-stressed concrete box-girder because of several advantages, such as high shear resistance without vertical stiffeners and an increase in the efficiency of pre-stressing due to the accordion effect. Many studies have been conducted on the shear buckling and flexural behavior of the composite box-girder with corrugated steel webs. However, the torsional behavior is not fully understood yet, and it needed to be investigated. Prior study of the torsion of the composite box-girder with corrugated steel webs has been developed by assuming that the concrete section is cracked prior to loading and doesn't have tensile resistance. This results in poor estimation of pre-cracking behaviors, such as initial stiffness. To overcome this disadvantage of the previous analytical model, an improved analytical model for torsion of the composite box-girder with corrugated steel webs was developed considering the concrete tension behavior in this study. Based on the proposed analytical model, a non-linear torsional analysis program for torsion of the composite box-girder with corrugated steel webs was developed and successfully verified by comparing with the results of the test. The proposed analytical model shows that the concrete tension behavior has significant effect on the initial torsional stiffness and cracking torsional moment. Finally, a simplified torsional moment-twist angle relationship of the composite box-girder with corrugated steel webs was proposed based on the proposed analytical model.
Shim, Hyun Ju;Lee, Seong Hui;Kim, Jin Ho;Lee, Eun Taik;Choi, Sung Mo
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.5
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pp.483-492
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2007
Pre-Engineering Building (PEB) system is one of the most economical structural systems. Tapered members can resist a maximum stress at a single location, whereas stresses of the rest of the members are considerably low. This results in appreciable savings both in terms of materials and construction costs. However, it was appreciated that special consideration would be required for certain aspects of this structural form. In particular, because of their slenderness, webs would buckle laterally and torsionally under the combined action of excessive axial, bending and shear forces. In this study, a total of four large-scale rafters with simple ends were tested. The main parameters were the width-thickness ratio of the web, the stiffener, and the flange brace. The purpose of this experiment is to evaluate the structural stability and to offer back-data on PEB design.
Steel Plate for Rebar Connection was recently developed to splice rebars in delayed slab-wall joints in high-rise building, slurry wall-slab joints, temporary openings, etc. It consists of several couplers and a thin steel plate with shear key. Cyclic loading tests on slab-wall joints were conducted to verify structural behavior of the joints having Steel Plate for Rebar Connection. For comparison, joints with Rebend Connection and without splices were also tested. The joints with Steel Plate for Rebar Connection showed typical flexural behavior in the sequence of tension re-bar yielding, sufficient flexural deformation, crushing of compression concrete, and compression rebar buckling. However, the joints with Rebend Connection had more bond cracks in slabs faces and spalling in side cover-concrete, even though elastic behavior of the joints was similar to that of the joints with Steel Plate for Re-bar Connection. Consequently, the joints with Rebend Connection had less strengths and deformation capacities than the joints with Steel Plate for Re-bar Connection. In addition, stiffness of the joints with Rebend Connection degraded more rapidly than the other joints as cyclic loads were applied. This may be caused by low elastic modulus of re-straightened rebars and restraightening of kinked bar. For two types of diameters (13mm and 16mm) and two types of grades (SD300 and SD400) of rebars, the joints with Steel Plate for Rebar Connection had higher strength than nominal strength calculated from actual material properties. On the contrary, strengths of the joints with Rebend Connection decreased as bar diameter increased and as grade becames higher. Therefore, Rebend Connection should be used with caution in design and construction.
Precast reinforced concrete bridge columns with hollow rectangular section were tested under cyclic lateral load with constant axial force to investigate its seismic performance. After all the precast column segments were erected, longitudinal reinforcement was inserted in the sheath prefabricated in the segments, which were then mortar grouted. Main variables of the test series were column aspect ratio, longitudinal reinforcement ratio, amount of lateral reinforcement, and location of segment joints. The aspect ratios were 4.5 and 2.5, and the longitudinal steel ratios were 1.15% and 3.07%. The amount of lateral reinforcement were 95%, 55%, 50%, and 27% of the minimum amount for full ductility design requirements in the Korean Bridge Design Code. The locations of segment joints in plastic hinge region were 0.5 and 1.0 times of the section depth from the bottom column end. The test results of cracking and failure mode, axial-flexural strength, lateral load-displacement relationship, and displacement ductility are presented. Then, safety of the ductility demand based seismic design in the Korean Bridge Design Code is discussed. The column specimens showed larger ductility than expected, because buckling of longitudinal reinforcing bar was prevented due to confinement developed not only by transverse steel but also by sheath and infilling mortar.
The repeated loading responses of four shear-critical reinforced concrete beams with two different shear span-to-depth ratios, were studied. One series of beams was reinforced using pairs of bundled stirrups with $90^{\circ}$ standard hooks, haying free end extensions of $6d_b$. The companion beams contained shear reinforcement made with larger diameter headed bars anchored with 50mm diameter circular heads. A single headed bar had the same area as a pair of bundled stirrups and hence the two series were comparable. The test results indicate that beams containing headed bar stirrups have a superior performance to companion beams containing bundled standard stirrups with improved ductility, larger energy absorption and enhanced post-peak load carrying capability. Due to splitting of the concrete cover and local crushing, the hooks of the standard stirrups opened resulting in loss of anchorage. In contrast, the headed bar stirrups did not lose their anchorage and hence were able to develop strain hardening and also served to delay buckling of the flexural compression steel. Excellent load-deflection predictions were obtained by reducing the tension stiffening to account for repeated load effects.
Developed in this study were Octagonal-hollow-section(OHS) struts, whose compressive strengths against flexural and local buckling is higher than H-shape or rectangular-hollow-section(RHS) struts with the same unit weight. OHS members are also advantageous in handling and storing compared to circular hollow sections(CHS). OHS members were fabricated from HR Plates by cold forming and fillet welding. 5 numbers of 20m long OHS struts were assembled, each of which consist of two 9.6m long OHS member and two end connection elements made of cast iron. The compressive strength of the OHS strut was evaluated by comparing the test results, design codes and FEM analysis each other. Test results show that all of the struts have almost same or larger compressive strength than Korean Road Bridge Design Code(KRBDC) (2012). The initial imperfections can be estimated by using measured strains and are turned out to be less than L/450 for all the struts tested. The results of FEM analysis show that the variation of initial imperfection has less effects on the compressive strength for struts with vertical surcharge than for those with self-weight only, while the strength decreases as the initial imperfection increases. As the result of this study, the allowable initial imperfection for 20m long OHS struts is recommended to be less than L/350 on job sites.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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