Flange and web local buckling in beam plastic hinge regions of steel moment frames can prevent beam-column connections from achieving adequate plastic rotations under earthquake-induced forces. This threat is especially valid for existing steel moment frame buildings with beams that lack adequate flange/web slenderness ratios. As the use of fiber reinforced polymers (FRP) have increased in strengthening and repair of steel members in recent years, using FRPs in stabilizing local instabilities have also attracted attention. Previous computational studies have shown that longitudinally oriented glass FRP (GFRP) strips may serve to moderately brace beam flanges against the occurrence of local buckling during plastic hinging. An experimental study was conducted at Izmir Institute of Technology investigating the effects of GFRP reinforcement on local buckling behavior of existing steel I-beams with flange slenderness ratios (FSR) exceeding the slenderness limits set forth in current seismic design specifications and modified by a bottom flange triangular welded haunch. Four European HE400AA steel beams with a depth/width ratio of 1.26 and FSR of 11.4 were cyclically loaded up to 4% rotation in a cantilever beam test set-up. Both bare beams and beams with GFRP sheets were tested in order to investigate the contribution of GFRP sheets in mitigating local flange buckling. Different configurations of GFRP sheets were considered. The tests have shown that GFRP reinforcement can moderately mitigate inelastic flange local buckling.
Through bolt connections in Concrete Filled Steel Tubes (CFSTs) has been proved to be good in terms of seismic performance and constructability. Stiffened extended end plate connection with full through type bolt helps to avoid field weld altogether, and hence to improve the quality of joints. An experimental study was conducted on the hysteretic performance of square interior beam-column connections using flat extended end plates with through bolt. The study focuses on the effect of the bond between the tie rod and the core concrete on the cyclic performance of the joint. The study also quantifies how much the interior joint is getting strengthened due to the confinement effect induced by bi-directional bolting, which is widely used in 3D moment resisting frames. For a better understanding of the mechanism and for the prediction of shear capacity of the panel zone, a mathematical model was generated. The various parameters included in the model are the influence of axial load, amount of prestress induced by bolt tightening, anchorage, and the concrete strut action. The study investigates the strength, stiffness, ductility, and energy dissipation characteristics. The results indicate that the seismic resistance is at par with American Institute of Steel Construction (AISC) seismic recommendations. The bidirectional bolting and bond effect have got remarkable influence on the performance of joints.
Zhu, Yan Fei;Chen, Chang Hong;Yao, Yao;Keer, Leon M.;Huang, Ying
Steel and Composite Structures
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v.28
no.2
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pp.209-221
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2018
An empirical and efficient method is presented for calculating the dynamic increase factor to amplify the applied loads on the affected bays of a steel frame structure with semi-rigid connections. The nonlinear static alternate path analysis is used to evaluate the dynamic responses. First, the polynomial models of the extended end plate and the top and seat connection are modified, and the proposed polynomial model of the flush end plate connection shows good agreement as compared with experimental results. Next, a beam model with nonlinear spring elements and plastic hinges is utilized to incorporate the combined effect of connection flexibility and material nonlinearity. A new step-by-step analysis procedure is established to obtain quickly the dynamic increase factor based on a combination of the pushdown analysis and nonlinear dynamic analysis. Finally, the modified dynamic increase factor equation, defined as a function of the maximum ratio value of energy demand to energy capacity of an affected beam, is derived by curve fitting data points generated by the different analysis cases with different column removal scenarios and five types of semi-rigid connections.
The use of semi-rigid joints can be considered in the beam-to-column connections of buildings. The advantages of semi-rigid joints can be found in the convenience of construction and the ability of effective moment distribution of members. This study is a basic step to acertain the application of middle high rise buildings by using reformed T-stub, of which rotation capacity is thought to be excellent compared with that of existing T-stubs. The tests of tensile and compressive elements of reformed T-stubs were performed to investigate the behavior of reformed T-stubs. The beam-to-column connections using reformed T-stubs are tested under monotonic loading. The structural behaviors of reformed T-stubs were understood qualitatively and the possibility of application of semi-rigid connections with reformed T-stub was acertained.
The objective of this study is to clarify the structural features of members consisting of connection, as a series of the previous study on the CFT column-to-beam tensile connection with combined cross diaphragm. This connection has the merits that the stress is distributed evenly on the beam flange and the diaphragm and the stress concentration is reduced, by improving the stress transfer route and restraining abrupt deformation of diaphragm. The finite element analysis was performed to find out the stress transfer through sleeve which is an important member of the connection with combined cross diaphragm. The length and thickness of sleeve were used as variables for the analysis. As the analysis results, the length and thickness of sleeve didn't influence on the capacity of the connection and played a role of a medium to transfer the stress from the diaphragm to the filled concrete. It is proposed that the appropriate length of sleeve be the same value as the diameter of sleeve and the appropriate ratio of sleeve diameter to sleeve thickness be 20. Two equations for evaluation of the load-carrying capacity of the connection were also proposed through the modification of the evaluation equation suggested in the previous study.
As a lateral load resisting component, buckling restrained steel plate shear walls (BRW) have excellent energy dissipating capacity. Similar to thin steel plate shear walls, the mechanical behavior of BRWs depends on the boundary elements (adjacent beams and columns) which need adequate strength and stiffness to ensure the complete yielding of BRWs and the emergence of expected plastic collapse mechanism of frame. This paper presents a theoretical approach to estimate the design forces for boundary elements of beam-connected BRW (i.e., The BRW is only connected to beams at its top and bottom, without connections to columns) using a fundamental plastic collapse mechanism of frame, a force transferring model of beam-connected BRW and linear beam and column analysis. Furthermore, the design method of boundary beams and columns is presented. The proposed approach does not involve nonlinear analyses, which can be easily and efficiently used to estimate the design forces of beams and columns in a frame with BRWs. The predicted design forces of boundary elements are compared with those from nonlinear finite element analyses, and a good agreement is achieved.
In the companion paper (Model Development), an analytical model estimating the available rotation capacity of fully restrained beam-column connections in special steel moment-resisting frames was proposed. In this paper, two limit states were considered as the connection rotation capacity criteria: (i) strength degradation failure when the strength falls below the nominal plastic strength due to the local buckling of the beam's cross-section and (ii) low-cycle fatigue fracture caused by plastic strain accumulation at the buckled flange after only a few cycles of high-amplitude deformation. A series of analyses are conducted using the proposed model with two limit states under monotonic and cyclic loadings. Beam section geometric parameters, such as flange and web slenderness ratios, varied over the practical ranges of H-shapedbeams to observe their effect on the rotation capacity and low-cycle fatigue life of pre-qualified WUF-W connections.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.10a
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pp.403-410
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1999
General1y, H-section is used for columns and beams in the middle and low steel building, But it has a strong and weak axis. Thus if H-section is used for columns, the structure needs reinforcement on the weak axis. Therefore recently, square holler section(S.H.S) is used for columns because it is able to coiler the vulnerability of H-section. Structural analysis is usually executed under the assumption that connections are either ideally pinned joint or fully rigid joint. Actually all connections are semi-rigid which possess a rotational stiffness. Therefore it can be designed economically as using the property of connections which has a rotational stiffness. This paper presents a prediction model curve which is fitted Kishi-Chen power Model about the behavior of connection between H-beam and S.H.S column. Non-linear analysis program was considered the non-linearity of semi-rigid connection and the geometrical non-linearity under the effect of axial force. It was programed by FORTRAN90 and Visual Basic.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.35
no.4
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pp.135-146
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2019
Deep beam has high section modules compared with shallow beam of the same weight. However, deep beam has low rotational capacity and high possibility of brittle failure so it is not possible to apply deep beams with a long span to intermediate moment frames, which should exhibit a ductility of 0.02rad of a story drift angle of steel moment frames. Accordingly, KBC and AISC limit the beam depth for intermediate and special moment frame to 750mm and 920mm respectively. The purpose of this paper is to improve the seismic performance of intermediate moment frame with 1200mm depth beam. In order to enhance vulnerability of plastic deformation capacity of deeper beam, Multi-Reduced Taper Beam(MRTB) shape that thickness of beam flange is reinforced and at the same time some part of the beam flange width is weakened are proposed. Based on concept of multiple plastic hinge, MRTB is intended to satisfy the rotation requirement for intermediate moment frame by dividing total story drift into each hinge and to prevent the collapse of the main members by inducing local buckling and fracture at the plastic hinge location far away from connection. The seismic performance of MRTB is evaluated by cyclic load test with conventional connections type WUF-W, RBS and Haunch. Some of the proposed MRTB connection satisfies connection requirements for intermediate moment frame and shows improved the seismic performance compared to conventional connections.
This study presents algorithms for determining the fuzzy critical loads of planar steel frame structures with fixity factors of beam - column and column - base connections are modeled as triangular fuzzy numbers. The finite element method with linear elastic semi-rigid connection and Response Surface Method (RSM) in mathematical statistic are applied for problems with symmetric triangular fuzzy numbers. The ${\alpha}$ - level optimization using the Differential Evolution (DE) involving integrated finite element modeling is proposed to apply for problems with any triangular fuzzy numbers. The advantage of the proposed methodologies is demonstrated through some example problems relating to for the twenty - story, four - bay planar steel frames.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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