This analytical study was carried out to make quality and productivity up in designing the frame-type furniture with semi-rigid joint by understanding the mechanical and structural behavior of the joint and by evaluating the validity of application of the time-saving Finite Element Method to its structural analysis. Slope deflection equation for rigid joint was modified to describe the moment-rotation behavior of semi-rigid joint and the joint stiffness factor(Z) could be calculated to lessen the experimental expense. It was proved that Finite Element Analysis with imaginary elements having equivalent MOE to the semi-rigid joint could be the alternative method for the structural analysis of the frame-type furniture, comparing the internal rotation of the 2-dimensional beam-to-column model with two-pin(wooden dowel) from the finite element method with other available theoretical and experimental rotation value.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.3
no.1
s.7
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pp.87-97
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2003
The structural system that discreterized from continuous shells is frequently used to make a large space structures. As well these structures show the unstable phenomena when a load level over the limit load, and snap-through and bifurcation are most well known of it. For the collapse mechanism, rise-span ratio, element stiffness and load mode are main factor, which it give an effect to unstable behavior. In our real situation, most structures have semi-rigid joint that has middle characteristic between pin and rigid joint. So the knowledge of semi-rigid joint is very important problem of stable large space structure. And the instability phenemena of framed space structures show a strong non-linearity and very sensitive behavior according to the joint rigidity For this reason In this study, we are investigating to unstable problem of framed structure with semi-rigidity and to grasp the nonlinear instability behavior that make the fundamental collapse mechanism of the large space frame structures with semi-rigid joint, by proposed the numerical analysis method. Using the incremental stiffness matrix in chapter 2, we study instability of space structures.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.04a
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pp.211-218
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1997
Analysis of structures are usually executed under the assumption that connections are either ideally pinned joint or fully rigid joint. But in general all structures is connected under the semi-rigid connections. Semi-rigid connect ions have demerits that is simplification work on connection's behavior, moment-rotation relationships of connect ions , apprehension of nonlinear analysis etc. On the other hand there is merits that is improvements of serviceability, economic efficiency, construction in predicting real behavior frames. This study is to make model of connect ions by based on experimental study and after analysis on frames considering characteristics of semi-rigid connections. semi-rigid connection's influence on the behavior of structures and fundamental data on application of structures that is connected between S H S column and H beam is exhibited.
Semi-rigid connections with blind bolts could solve the difficulty that traditional high strength bolts were unavailable to splice a steel/composite beam to a closed section column. However, insufficient investigations have focused on the performance of semi-rigid connection to square concrete filled double-skin steel tubular (CFDST) columns. In this paper, a component model was developed to evaluate the mechanical behavior of semi-rigid composite connections to CFDST columns considering the stiffness and strength of column face in compression and column web in shear which were determined by the load transfer mechanism and superstition method. Then, experimental investigations on blind bolted composite joints to square CFDST columns were conducted to validate the accuracy of the component model. Dominant failure modes of the connections were analyzed and this type of joint behaved semi-rigid manner. More importantly, strain responses of CFDST column web and tubes verified that stiffness and strength of column face in compression and column web in shear significantly affected the connection mechanical behavior owing to the hollow part of the cross-section for CFDST column. The experimental and analytical results showed that the CFDST column to steel-concrete composite beam semi-rigid joints could be employed for the assembled structures in high intensity seismic regions.
In the structural analysis of steel frames, joints are generally considered as rigid or hinged considering their moment transfer ability. However, the first studies conducted with the beginning of the 20th century showed that the joints do not actually fit these two definitions. In reality, a joint behaves between these two extreme points and is called semi-rigid. Including the actual state of the joint in the structural analysis provides significant economic advantages, so the subject is an intense field of study today. However, it does not find enough application area in practice. For this reason, a large-scale literature published from the first studies on the subject to the present has been examined within the scope of the study. Three important points have been identified in order to examine a joint realistically; modelling the load-displacement relationship, performing the structural analysis and how to design. Joint modelling methods were grouped under 7 main headings as analytical, empirical, mechanical, numerical, informational, hybrid and experimental. In addition to the moment-rotation, other important external load effects like axial force, shear and torsion were considered. Various evaluations were made to expand the practical application area of semi-rigid connections by examining analysis methods and design approaches. Dynamic behaviour was also included in the study, and besides column-beam connections, other important connection types such as beam-beam, column-beam-cross, base connection were also examined in this paper.
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.
The use of composite semi-rigid connections is not fully exploited, in spite of its great number of advantages. Composite semi-rigid connections may lead to an optimal moment distribution that will render lighter structures. Furthermore, using the appropriate semi-rigid connection design, the stability of the frames against lateral loads may entirely rely on the joint stiffness, thus avoiding bracing systems and permitting more diaphanous designs. Although modern codes, such as the Eurocode 4 (EC4), propose thorough methods of analysis they do not provide enough insight and simplicity from the design point of view. The purpose of this paper is to introduce practical and efficient methods of analysis that will facilitate the work of a structural analyst starting from the global analysis of the composite frame and ending on the final connection design. A key aspect is the definition of the stiffness and strength of the connections that will lead to an optimal moment distribution in the composite beams. Two examples are presented in order to clarify the application of the proposed methods and to demonstrate the advantages of the semi-rigid composite design with respect to the alternative pinned and rigid ones. The final aim of the paper is to stimulate and encourage the designer on the use of composite semi-rigid structures.
This study was carried out to develop a finite element analysis model that considers the semi-rigid characteristics of a wood-dowel joint, which is different from conventional joints that are used in the field of engineering. Wood-dowel joints are classified as semi-rigid joints that possess the following characteristics: (1) they are less stiffer than rigid joints and (2) their stiffness is determined by the dowel's diameter, depth of dowel embedment in the face member and quantity of pin dowels. In this study a finite element model that considers the changes in stiffness according to the above mentioned factors was developed and its suitability was verified by experiments using a wood-dowel joint test specimen made up of particleboards. After comparing the experimental results and the analysis results of the wood-dowel joint which was applied with the proposed finite element model, less than 10% of error was found which is considered to be negligibly small. Hence this shows that this proposed finite element model can be used to predict deformation of wood-dowel joints.
Semi-rigid joints have been widely studied in literature in recent decades because they affect greatly the structural response of frames. In literature, the behavior of semi-rigid joints is commonly assumed to be identical under positive and negative moments which are obviously incorrect in many cases where joint details such as bolt arrangement or placement of haunch are vertically asymmetrical. This paper evaluates two common types of steel frames with asymmetrical beam-to-column joints by Direct Analysis allowing for plasticity. A refined design method of steel frames using a proposed simple forth order curved-quartic element with an integrated joint model allowing for asymmetrical geometric joint properties is presented. Furthermore, the ultimate behavior of six types of asymmetrical end-plate connections under positive and negative moment is examined by the Finite Element Method (FEM). The FEM results are further applied to the proposed design method with the curved-quartic element for Direct Analysis of two types of steel frames under dominant gravity or wind load. The ultimate frame behavior under the two different scenarios are examined with respect to their failure modes and considerably different structural performances of the frames were observed when compared with the identical frames designed with the traditional method where symmetrical joints characteristics were assumed. The finding of this research contributes to the design of steel frames as their asymmetrical beam-to-column joints lead to different frame behavior when under positive and negative moment and this aspect should be incorporated in the design and analysis of steel frames. This consideration of asymmetrical joint behavior is recommended to be highlighted in future design codes.
The time and cost can be reduced when applying partial precast concrete to the stair system in comparison to the cast-in-place or precast method. Because the performance of staircase which is used for evacuation can be largely different from connection types of precast concrete member, we tried to know structural behavior and performance evaluation according to each type of stair joints by experimental study. In the cast-in-place rigid joint, much reinforcement is needed in the end portion because much stress is concentrated in the middle portion. Also, in the pin joint which is used in the connection point, the maximum stress occurs in the middle point, so not only the amount of re-bar is increased but also the serviceability is largely decreased. The bolt type of semi-rigid joints proposed in this study had been increased strength and serviceability which is similar to the rigid joints. Also, its ductility was shown about 0.7 times in comparison to the rigid type and was about 2.8 times for the pin joint type. According to the classification of joint in Eurocode, it can be considered that it is one of the semi-rigid joints which are in the semi-rigid-full strength, and the structural behavior can be expected by using a model which applied to stiffness value decreased by 40 percent.
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