Beam-to-column connections behaviour plays an important role in the analysis and design of steel and precast concrete structures. The paper presents a computer-based method for geometrically nonlinear frames with semi-rigid beam-to-column connections. The analytical procedure employs modified stability functions to model the effect of axial force on the stiffness of members. The member modified stiffness matrix, and the modified fixed end forces for various loads were found. The linear and nonlinear analyses were applied for two planar steel structures. The method is readily implemented on a computer using matrix structural analysis techniques and is applicable for the efficient nonlinear analysis of frameworks.
Kim, Young Ju;Chae, Young Suk;Shin, Kyung Jae;Oh, Young Suk;Moon, Tae Sup
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.1
s.68
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pp.113-121
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2004
A test program was conducted on full-scale steel moment connections constructed using a T-stiffener. In the T-stiffener connection, the beam-to-column connection was reinforced with the horizontal and vertical element of the T-stiffener to resist moment under severe cyclic loads. A total of five specimens were tested in this study together with a concrete-filled tubular(CFT) column(${\sqsubset}-500{\times}500{\times}12$) and a steel beam($H-506{\times}201{\times}11{\times}19$). For the specimens, the T-stiffener was combined with RBS (also known as "Dog-bone") detail or Horizontal Element Hole(HEH) detail constructed to enhance deformation capacity. The test program showed excellent seismic performance for specimens constructed with an RBS or an HEH. except the specimens had brittle failure of VE. The test results also showed that the connections all developed maximum moments at the face of the column. Such moments were at least 15% and as much as 36% larger than the plastic moment capacity of the beam. based on the actual yield stress of the beam steel.
The objective of this paper is to propose retrofit design methods of theRHS column-to-H beam connections with floor slabs. Referring to previous studies on the retrofitting of moment connections, it is clear that connections retrofitted with a stiffened RBS (SR) or a lengthened horizontal stiffener (LH) has an effect on decreasing the stress/strain concentration. A new design procedure using these two retrofitting methods was thus presented. In addition, this paper addressed various design or detailing options and recommended a procedure for designing the improved retrofitting method of steel moment connections. Finally, a pilot test was conducted to verify the design procedure.
This paper presents a displacement-based finite element procedure for second-order distributed plasticity analysis of planar steel frames with semi-rigid beam-to-column connections under static loadings. A partially strain-hardening elastic-plastic beam-column element, which directly takes into account geometric nonlinearity, gradual yielding of material, and flexibility of semi-rigid connections, is proposed. The second-order effects and distributed plasticity are considered by dividing the member into several sub-elements and meshing the cross-section into several fibers. A new nonlinear solution procedure based on the combination of the Newton-Raphson equilibrium iterative algorithm and the constant work method for adjusting the incremental load factor is proposed for solving nonlinear equilibrium equations. The nonlinear inelastic behavior predicted by the proposed program compares well with previous studies. Coupling effects of three primary sources of nonlinearity, geometric imperfections, and residual stress are investigated and discussed in this paper.
In previous weak-axis moment connection tests, brittle fracture always initiated near the edge of the beam flange groove weld due to force flow towards the stiffer column flanges, which is the opposite pattern as strong-axis moment connections. As part of the China NSFC (51278061) study, this paper tested two full-scale novel weak-axis reduced beam section moment connections, including one exterior frame connection specimen SJ-1 under beam end monotonic loading and one interior frame joint specimen SJ-2 under column top cyclic loading. Test results showed that these two specimens were able to satisfy the demands of FEMA-267 (1995) or ANSI/AISC 341-10 (2010) without experiencing brittle fracture. A parametric analysis using the finite element software ABAQUS was carried out to better understand the cyclic performance of the novel weak-axis reduced beam section moment connections, and the influence of the distance between skin plate and reduced beam section, a, the length of the reduced beam section, b, and the cutting depth of the reduced beam section, c, on the cyclic performance was analyzed. It was found that increasing three parametric values reasonably is beneficial to forming beam plastic hinges, and increasing the parameter a is conducive to reducing stress concentration of beam flange groove welds while increasing the parameters b and c can only reduce the peak stress of beam flange groove welds. The rules recommended by FEMA350 (2000) are suitable for designing the proposed weak-axis RBS moment connection, and a proven calculation formulation is given to determine the thickness of skin plate, the key components in the proposed weak-axis connections. Based on the experimental and numerical results, a design procedure for the proposed weak-axis RBS moment connections was developed.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.5
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pp.1-9
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2007
This study summarizes the results of a research project aimed at investigating the inelastic rotation capacity of beam-column connections of reinforced concrete moment frames. A total of 91 test specimens for beam-column joint connections were examined in detail, and 28 specimens were classified as special moment frame connections based on the design and detailing requirements in the ACI 318-02 Provisions. Then the acceptance criteria, originally defined for steel moment frame connections in the AISC-02 Seismic Provisions, were used to evaluate the joint connections of concrete moment frames. Twenty-seven out of 28 test specimens that satisfy the design requirements for special moment frame structures provide sufficient strength and are ductile up to a plastic rotation of 0.03 rad. without any major degradation in strength. Joint shear stress, column-to-beam flexural strength ratio, and transverse reinforcement ratio in a joint all play a key role in good performance of the connections.
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.
Lor, Hossein Akbari;Izadinia, Mohsen;Memarzadeh, Parham
Steel and Composite Structures
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v.32
no.1
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pp.79-90
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2019
This study introduces new connections that connect the beam to the column with slit dampers. Plastic deformations and damages concentrate on slit dampers. The slit dampers prevent plastic damages of column, beam, welds and panel zone and act as fuses. The slit dampers were prepared with IPE profiles that had some holes in the webs. In this paper, two experimental specimens were made. In first specimen (SDC1), just one slit damper connected the beam to the column and one IPE profile with no holes connected the bottom flange of the beam to the column. The second specimen (SDC2) had two similar dampers which connected the top and bottom flange of the beam to the column. Cyclic loading was applied on Specimens. The cyclic displacements conditions continued until 0.06 radian rotation of connection. The experimental observations showed that the bending moment of specimen SDC2 increased until 0.04 story drift. In specimen SDC1, the bending moment decreases after 0.03 story drift. Test results indicate the high performance of the proposed connection. Based on the results, the specimen with two slit damper (SDC2) has higher seismic performance and dissipates more energy in loading process than specimen SDC1. Theoretical formulas were extended for the proposed connections. Numerical studies have been done by ABAQUS software. The theoretical and numerical results had good agreements with the experimental data. Based on the experimental and numerical investigations, the high ductility of connection is obtained from plastic damages of slit dampers. The most flexural moment of specimen SDC1 occurred at 3% story drift and this value was 1.4 times the plastic moment of the beam section. This parameter for SDC2 was 1.73 times the plastic moment of the beam section and occurred at 4% story drift. The dissipated energy ratio of SDC2 to SDC1 is equal to 1.51.
Park, Hong Gun;Lee, Ho Jun;Kim, Chang Soo;Hwang, Hyeon Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.28
no.4
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pp.231-242
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2016
Earthquake resistance of RC column-steel beam (RCS) joints with simplified details were studied. Simplified details are necessary for large columns to improve the productivity and constructability. To strengthen the beam-column joint, the effects of transverse beams, studs, and U-cross ties were used. Four 2/3 scale interior RCS connections were tested under cyclic lateral loading. The specimens generally exhibited good deformation capacity exceeding 4.0% story drift ratio after yielding of both beam and beam-column joint. Ultimately, the specimens failed by shear mechanism of the joint panel. The test strengths were compared with the predictions of existing design methods.
Kwon, Woo-Hyun;Kim, Woo-Suk;Kang, Thomas H.K.;Hong, Sung-Gul;Kwak, Yoon-Keun
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.23
no.6
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pp.711-722
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2011
Beam-column gravity or Intermediate Moment frames subjected to unexpected large displacements are vulnerable when no seismic details are provided, which is typical. Conversely, economic efficiency of those frames is decreased if unnecessary special detailing is applied as the beam and column size becomes quite large and steel congestion is caused by joint transverse reinforcement in beam-column connections. Moderate seismic design is used in Korea for beam-column connections of buildings with structural walls, which are to be destroyed when the unexpected large earthquake occurs. Nonetheless, performance of such beamcolumn connections may be substantially improved by the addition of steel fibers. This study was conducted to investigate the effect of steel fibers in reinforced concrete exterior beam-column connections and possibility for the replacement of some joint transverse reinforcement. Ten half-scale beam-column connections with non-seismic details were tested under cyclic loads with two cycles at each drift up to 19 cycles. Main test parameters used were the volume ratio of steel fibers (0%, 1%, 1.5%) and joint transverse reinforcement amount. The test results show that maximum capacity, energy dissipation capacity, shear strength and bond condition are improved with the application of steel fibers to substitute transverse reinforcement of beam-column connections. Furthermore, several shear strength equations for exterior connections were examined, including the proposed equation for steel fiber-reinforced concrete exterior connections with non-seismic details.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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