The purpose of this study was to evaluate the seismic performance of weak-axis column-tree type connections used in steel moment frames. These connections are composed of a shop-welded and fieldbolted steel structure and can improve welding quality. On this basis, column-tree type connections are widely used in steel moment resisting frames in Korea and Japan. In this study, splices designed with a semirigid concept regarding the seismic performance of column-tree connections were experimentally evaluated. The structures can absorb energy in an inelastic state rather than the elastic state of the structures by the capacity design method. For this reason, the plastic hinge might be located at the splice connection at the weak-axis column-tree connection by reducing the splice plate thickness. The main variable was the distance from the edge of the column flange to the beam splice. CTY series specimens having column-tree connections with splice length of 600 mm and 900 mm were designed, respectively. For comparison with two specimens with the main variable, a base specimen with a weak-axis column-tree connection was fabricated and tested. The test results of three full-scale test specimens showed that the CTY series specimens successfully developed ductile behavior without brittle fracture until 5% story drift ratio. Although the base specimen reached a 5% story drift ratio, brittle fracture was detected at the backing bar near the beam-to-column connection. Comparing the energy dissipation capacity for each specimen, the CTY series specimens dissipated more energy than the base specimen.
In earthquake engineering, dynamic analyses are usually conducted by using a nonlinear analytical model of the entire building in order to identify the performance against earthquakes. At the same time, a large number of dynamic analyses are required to consider uncertainties on analytical models and ground motions. Therefore, it is necessary for the analytical model to be adequate, that is to say, the runtime should not be too long as the entire building is modeled to be in much detail, or the nonlinear model should not yield outputs very far from the actual ones by excluding important behaviors too much. The analytical model is usually developed based on experimental results, which have been already conducted for reinforced concrete columns with relaxed details. Therefore, this study aimed at making analytical models to be able to simulate the hysteretic behavior of the columns simply and easily. The analytical model utilizes a lumped hinge model to represent nonlinear moment-rotation hysteretic behavior of RC columns, which is feasible for nonlinear dynamic analyses usually conducted in earthquake engineering and for matching the analytical model to test results. For the analytical model, elements and material models provided by OpenSees are utilized. The analytical model can define the envelope curve, pinching, and unloading stiffness deterioration, but shortcoming of this model is not to be able to consider axial force-moment interaction directly and to simulate strength deterioration after post-capping completely. However, the analytical model can still represent test results well by considering that the goal of this study is to propose a general way to represent the hysteretic behavior of RC columns with relaxed details, not to provide parameters for a refined hysteretic model that can be just applied case by case.
This study focuses on the air to air missile control fin planform optimization for the minimizing hinge moment with the considering phenomena of fluid and structure simultaneously. The fluid-structure interaction method is applied for the fluid and structure phenomena simulation of the control fins. A transient-loosely coupled method is used for the fluid-structure interaction simulation because it is suited for using each fluid and structure dedicated simulation software. Searching global optimization point is required many re-calculation therefore in this study, a mathematical model is applied for rapidly calculation. The face centered central composite method is used for generating design points and the 2nd polynomial response surface is sued for generating mathematical model. Global optimization is performed by using the generic algorithm. An objective function is the minimizing travel distance of the center of pressure between Mach 0.7 and 2.0 condition. Finally, the objective function of optimized planform is reduced 7.5% than the baseline planform with satisfying constrained conditions.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.10
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pp.712-719
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2019
This paper explores an implementation of finite element analysis and experiment in the design process of a tape spring hinge used for various CubeSat missions. Tape spring hinges consist of short-length hardened-steel strips with one-sided curvature, and thus the behavior is subject to large deformation with unpredicted non-linearity. Precise dimensions of a commercial tape spring are traced by the use of high-resolution digital camera, and thin-shell FEM analysis is conducted using ABAQUS program. Based on the rotation-moment analysis suggested in previous studies, parametric analysis is conducted by adjusting the contributing factors such as strip thickness and the subtended angle of the cross section. Finally the behaviors are investigated by both analytical and non-linear finite element methods, and the results are compared with the simple measurements. Further studies suggest a possible application in dynamic characteristics of hinges during CubeSat operations.
Khan, Fasih A.;Khan, Sajjad W.;Shahzada, Khan;Ahmad, Naveed;Rizwan, Muhammad;Fahim, Muhammad;Rashid, Muhammad
Earthquakes and Structures
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v.23
no.1
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pp.23-34
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2022
This paper presents experimental studies on reinforced concrete moment resisting frames that have engineered cementitious composite (ECC) in plastic hinge length (PHL) of beam/column members and beam-column joints. A two-story frame structure reduced by a 1:3 scale was further tested through a shake-table (seismic simulator) using multiple levels of simulated earthquake motions. One model conformed to all the ACI-318 requirements for IMRF, whereas the second model used lower-strength concrete in the beam/column members outside PHL. The acceleration time history of the 1994 Northridge earthquake was selected and scaled to multiple levels for shake-table testing. This study reports the observed damage mechanism, lateral strength-displacement capacity curve, and the computed response parameters for each model. The tests verified that nonlinearity remained confined to beam/column ends, i.e., member joint interface. Calculated response modification factors were 11.6 and 9.6 for the code-conforming and concrete strength deficient models. Results show that the RC-ECC frame's performance in design-based and maximum considered earthquakes; without exceeding maximum permissible drift under design-base earthquake motions and not triggering any unstable mode of damage/failure under maximum considered earthquakes. This research also indicates that the introduction of ECC in PHL of the beam/column members' detailing may be relaxed for the IMRF structures.
The effect of reinforcing concrete members with high strength steel bars with yield strength up to 600 MPa on the overall seismic behavior of concrete moment frames was studied experimentally and numerically. Three geometrically identical plane frame models with two bays and two stories, where one frame model was reinforced with hot rolled bars (HRB) with a nominal yield strength of 335 MPa and the other two by high strength steel bars with a nominal yield strength of 600 MPa, were tested under simulated earthquake action considering different axial load ratios to investigate the hysteretic behavior, ductility, strength and stiffness degradation, energy dissipation and plastic deformation characteristics. Test results indicate that utilizing high strength reinforcement can improve the structural resilience, reduce residual deformation and achieve favorable distribution pattern of plastic hinges on beams and columns. The frame models reinforced with normal and high strength steel bars have comparable overall deformation capacity. Compared with the frame model subjected to a low axial load ratio, the ones under a higher axial load ratio exhibit more plump hysteretic loops. The proved reliable finite element analysis software DIANA was used for the numerical simulation of the tests. The analytical results agree well with the experimental results.
In this article the seismic demand and performance of two recent braced steel frames named steel moment frames with the elliptic bracing (ELBRFs) are assessed through a laboratory program and numerical analyses of FEM. Here, one of the specimens is without connecting bracket from the corner of the frame to the elliptic brace (ELBRF-E), while the other is with the connecting brackets (ELBRF-B). In both the elliptic braced moment resisting frames (ELBRFs), in addition to not having any opening space problem in the bracing systems when installed in the surrounding frames, they improve structure's behavior. The experimental test is run on ½ scale single-story single-bay ELBRF specimens under cyclic quasi-static loading and compared with X-bracing and SMRF systems in one story base model. This system is of appropriate stiffness and a high ductility, with an increased response modification factor. Moreover, its energy dissipation is high. In the ELBRF bracing systems, there exists a great interval between relative deformation at the yield point and maximum relative deformation after entering the plastic region. In other words, the distance from the first plastic hinge to the collapse of the structure is fairly large. The experimental outcomes here, are in good agreement with the theoretical predictions.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.1
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pp.13-24
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2023
In this study, alternative seismic force-resisting systems for plant structure supporting equipment were designed, and the seismic performance thereof was compared using nonlinear dynamic analysis. One alternative seismic force-resisting system was designed per the requirement for ordinary moment-resisting and concentrically braced frames but with a reduced base shear. The other seismic force-resisting system was designed by accommodating seismic details of intermediate and unique moment-resisting frames and special concentrically braced frames. Different plastic hinge models were applied to ordinary and ductile systems based on the validation using existing test results. The control model obtained by code-based flexible design and/or reduction of base shear did not satisfy the seismic performance objectives, but the alternative structural system did by strengthened panel zones and a reduced effective buckling length. The seismic force to equipment calculated from the nonlinear dynamic analysis was significantly lower than the equivalent static force of KDS 41 17 00. The comparison of design alternatives showed that the seismic performance required for a plant structure could be secured economically by using performance-based design and alternative seismic-force resisting systems adopting minimally modified seismic details.
In this study, a five-story steel frame was designed in accordance with KBC2005 to evaluate the effects of the beam-column connection on the structural behavior. The connections were designed as fully rigid and semi-rigid. The fiber model was used to describe the moment-curvature relationship of the steel beam and the column, the power model for the moment-rotation angle of the semi-rigid connection and the three-parameter model for the hysteretic behavior of the steel beam, column, and connection. The structure was idealized as separate 2-D frames and as connected 2-D frames. The peak ground accelerations of four earthquake records were modified in a time-history analysis for the levels of the mean return period and for the maximum base-shear force in a pushover analysis. The top story displacement, base-shear force, story drift, demanded ductility ratio for the semi-rigid connection, maximum bending moment of the column, beam, and connection, and distribution of the plastic hinge were examined in the time-history analysis. The frame with the semi-rigid connection yielded a lower base-shear force, less magnitude, and increasing ratio in the bending moment of the column, beam, and connection than the frame with a fully rigid connection. The TSD connection was deemed to have secured the economy and safety of the sample structure that was subjected to seismic excitation for the Korean design level.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.04a
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pp.301-304
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2008
The stair joints constructed with prefabricated system are general method doing structure design at hinge. If you regarded joints to come in contact with a flight of stairs and a slope of stairs as hinge, the moment performance of joints is not in the least moment, so as the bending moment of the stair case is increased, the reinforcement increase. Also the use is decreased because increasing the joint damage of the vibration & fatigue load. No less the reason constructed with pin the stair joints because the construction efficiency of field work is useable. Recently, they are considering the construction efficiency, while the semi-rigid detail for bending performance of joints is proposed, but for now they don't reflect the detail. Therefore, we proposed that reflecting the method at design semi-rigid joints. We compared the moment performance with the stair joints designed at the rigid joints, semi-rigid joints and pin joints. The nonlinear behavior of staircase core statically indeterminate structure. The result of research is that a bending stiffness modulus bring to reflect the semi-rigid performance, the performance of the semi-rigid joint is better than pin joints, and that is judged the system better seismic and vibration performance because have excellent ductility more than rigid joint.
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