Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) is one of the materials used to strengthen steel structures. Most studies on strengthening steel structures have been done on steel beams and steel columns. No independent study, to the researcher's knowledge, has studied the effect of CFRP strengthening on steel beam-columns, and it seems that there is a lack of understanding on behavior of CFRP strengthening on steel beam-columns. However, this study explored the use of adhesively bonded CFRP flexible sheets on retrofitting square hollow section (SHS) steel beam-columns, using numerical investigations. Finite Element Method (FEM) was employed for modeling. To determine the ultimate load of SHS steel beam-columns, ten specimens, eight of which were strengthened with the different coverage length and with one and two CFRP layers, with two types of section (Type A and B) were analyzed. ANSYS was used to analyze the SHS steel beam-columns. The results showed that the CFRP composite had no similar effect on the slender and stocky SHS steel beam-columns. The results also showed that the coverage length, the number of layers, and the location of CFRP composites were effective in increasing the ultimate load of the SHS steel beam-columns.
Lighting poles and antenna masts are typically high, slender and light structures. Moreover, they are often characterized by distributed eccentricities that make very complex their shape. Experience teaches that this structural type frequently suffers severe damage and even collapses due to wind actions. To understand and interpret the aerodynamic and aeroelastic behavior of lighting poles and antenna masts, this paper presents the results of static and aeroelastic wind tunnel tests carried out on a complex prismatic element representing a segment of the shaft of such structures. Static tests are aimed at determining the aerodynamic coefficients and the Strouhal number of the test element cross-section; the former are used to evaluate the critical conditions for galloping occurrence based on quasi-steady theory; the latter provides the critical conditions for vortex-induced vibrations. Aeroelastic tests are aimed at reproducing the real behavior of the test element and at verifying the validity and reliability of quasi-steady theory. The galloping hysteresis phenomenon is identified through aeroelastic experiments conducted on increasing and decreasing the mean wind velocity.
The safety of structures is closely associated with the structural out-of-plane behavior. In particular, long and slender beam structures have been increasingly used in the design and construction. Therefore, an evaluation of the lateral and torsional behavior of a structure is important for the safety of the structure during construction as well as under service conditions. The current contact measurement method using displacement meters cannot measure independent movements directly and also requires caution when installing the displacement meters. Therefore, in this study, a vision-based system was used to measure the in-plane and out-of-plane displacements of a structure. The image processing algorithm was based on reference objects, including multiple targets in Lab color space. The captured targets were synchronized using a load indicator connected wirelessly to a data logger system in the server. A laboratory beam test was carried out to compare the displacements and rotation obtained from the proposed vision-based measurement system with those from the current measurement method using string potentiometers. The test results showed that the proposed vision-based measurement system could be applied successfully and easily to evaluating both the in-plane and out-of-plane movements of a beam including twisting rotation.
Steel plate shear walls (SPSWs) have been shown to be efficient lateral force-resisting systems, which are increasingly used in new and retrofit construction. These structural systems are designed with either stiffened and stocky or unstiffened and slender web plates based on disparate structural and economical considerations. Based on some limited reported studies, on the other hand, employment of low yield point (LYP) steel infill plates with extremely low yield strength, and high ductility as well as elongation properties is found to facilitate the design and improve the structural behavior and seismic performance of the SPSW systems. On this basis, this paper reports system-level investigations on the seismic response assessment of multi-story SPSW frames under the action of earthquake ground motions. The effectiveness of the strip model in representing the behaviors of SPSWs with different buckling and yielding properties is primarily verified. Subsequently, the structural and seismic performances of several code-designed and retrofitted SPSW frames with conventional and LYP steel infill plates are investigated through detailed modal and nonlinear time-history analyses. Evaluation of various seismic response parameters including drift, acceleration, base shear and moment, column axial load, and web-plate ductility demands, demonstrates the capabilities of SPSW systems in improving the seismic performance of structures and reveals various advantages of use of LYP steel material in seismic design and retrofit of SPSW systems, in particular, application of LYP steel infill plates of double thickness in seismic retrofit of conventional steel and code-designed SPSW frames.
Savino, Pierclaudio;Gherlone, Marco;Tondolo, Francesco
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.2
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pp.217-227
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2019
The methodology known as "shape sensing" allows the reconstruction of the displacement field of a structure starting from strain measurements, with considerable implications for structural monitoring, as well as for the control and implementation of smart structures. An approach to shape sensing is based on the inverse Finite Element Method (iFEM) that uses a variational principle enforcing a least-squares compatibility between measured and analytical strain measures. The structural response is reconstructed without the knowledge of the mechanical properties and load conditions but based only on the relationship between displacements and strains. In order to efficiently apply iFEM to the most common structural typologies of civil engineering, its formulation according to the kinematical assumptions of the Bernoulli-Euler theory is presented. Two beam inverse finite elements are formulated for different loading conditions. Depending on the type of element, the relationship between the minimum number of required measurement stations and the interpolation order is defined. Several examples representing common applications of civil engineering and involving beams and frames are presented. To simulate the experimental strain data at the station points and to verify the accuracy of the displacements obtained with the iFEM shape sensing procedure, a direct FEM analysis of the considered structures is performed using the LUSAS software.
The effective length method for flexural (column) buckling has been used for many decades but its use is somewhat limited in various contemporary design codes to moderately slender structures with elastic critical load factor (${\lambda}_{cr}$) less than 3 to 5. In pace with the use of higher grade steel in recent years, the influence of buckling in axial buckling resistance of a column becomes more important and the over-simplified assumption of effective length factor can lead to an unsafe, an uneconomical or a both unsafe and uneconomical solution when some members are over-designed while key elements are under-designed. Effective length should not normally be taken as the distance between nodes multiplied by an arbitrary factor like 0.85, 1.0, 2.0 etc. Further, the classification of non-sway and sway-sensitive frames makes the conventional design procedure tedious to use and, more importantly, limited to simple regular frames. This paper describes the practical use of second-order analysis with section capacity check allowing for $P-{\delta}$ and $P-{\Delta}$ effects together with member and system imperfections. Most commercial software considers only the $P-{\Delta}$ effect, but not member and frame imperfections nor $P-{\delta}$ effect, and engineers must be very careful in their uses. A verification problem is also given for validation of software for this type of powerful second-order analysis and design. It is a trend for popular and advanced national design codes in using the second-order analysis as a norm for analysis and design of steel structures while linear analysis may only be used in very simple structures.
In this paper, a three dimensional soil-structure interaction (SSI) is numerically simulated using finite element method in order to analyse the foundation moments in annular raft of tall slender chimney structures incorporating the effect of openings in the structure and the effect of soil flexibility, when the structure-soil system is subjected to El Centro (1940) ground motion in time domain. The transient dynamic analysis is carried out using LS-DYNA software. The linear ground response analysis program ProShake has been adopted for obtaining the ground level excitation for different soil conditions, given the rock level excitation. The radial and tangential bending moments of annular raft foundation obtained from this SSI analysis have been compared with those obtained from conventional method according to the Indian standard code of practice, IS 11089:1984. It is observed that tangential and radial moments increase with the increase in flexibility of soil. The analysis results show that the natural frequency of chimney decreases with increase in supporting soil flexibility. Structural responses increase when the openings in the structure are also considered. The purpose of this paper is to propose the need for an accurate evaluation of the soilstructure interaction forces which govern the structural response.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.8
no.2
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pp.99-116
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2014
The American Concrete Institute (ACI) 318-11 permits the use of the moment magnifier method for computing the design ultimate strength of slender reinforced concrete columns that are part of braced frames. This computed strength is influenced by the column effective length factor K, the equivalent uniform bending moment diagram factor $C_m$ and the effective flexural stiffness EI among other factors. For this study, 2,960 simple braced frames subjected to short-term loads were simulated to investigate the effect of using different methods of calculating the effective length factor K when computing the strength of columns in these frames. The theoretically computed column ultimate strengths were compared to the ultimate strengths of the same columns computed from the ACI moment magnifier method using different combinations of equations for K and EI. This study shows that for computing the column ultimate strength, the current practice of using the Jackson-Moreland Alignment Chart is the most accurate method for determining the effective length factor. The study also shows that for computing the column ultimate strength, the accuracy of the moment magnifier method can be further improved by replacing the current ACI equation for EI with a nonlinear equation for EI that includes variables affecting the column stiffness and proposed in an earlier investigation.
A major problem with high-mast light poles is the effects that wind vortex shedding can have on the pole itself because of the lock-in phenomenon. It is desired that the coefficients in the AASHTO Standard Specifications ($5^{th}$ edition) for Structural Supports for Highway Signs, Luminaries, and Traffic Signals be analyzed and refined. This is for the belief that the span of the shapes of poles for which the coefficients are used is much too broad and a specific coefficient for each different shape is desired. The primary objective of this study is to develop wind vortex shedding coefficient for a multisided shape. To do that, an octagonal shape was used as the main focus since octagonal cross sectioned high-mast light poles are one of the most common shapes in service. For the needed data, many wind parameters, such as the static drag coefficient, the slope of aerodynamic lift coefficient, Strouhal number, the lock-in range of wind velocities producing vibrations, and variation of amplitude of vortex-induced vibration with Scruton number are needed. From wind tunnel experiments, aerodynamic parameters were obtained for an octagonal shape structure. Even though aerodynamic coefficients are known from past test results, they need to be refined by conducting further wind tunnel tests.
Local buckling is a major consideration in the design of thin-walled cold-formed steel sections. The main effect of local buckling in plate elements under longitudinal compressive stresses is to cause a redistribution of the stresses in which the greatest portion of the load is carried near the supporting edges of the plate junctions. The redistribution produces increased stresses near the plate junctions and high bending stresses as a result of plate flexure, leading to ultimate loads below the squash load of the section. In singly symmetric cross-sections, the redistribution of longitudinal stress caused by local buckling also produces a shift of the line of action of internal force (shift of effective centroid). The fundamentally different effects of local buckling on the behaviour of pin-ended and fixed-ended singly symmetric columns lead to inconsistencies in traditional design approaches. The paper describes local buckling and shift of effective centroid of thin-walled cold-formed steel channel columns. Tests of channel columns have been described. The experimental local buckling loads were compared with the theoretical local buckling loads obtained using an elastic finite strip buckling analysis. The shift of the effective centroid was also compared with the shift predicted using the Australian/New Zealand and American specifications for cold-formed steel structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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