Zheng Tan;Wei-hui Zhong;Bao Meng;Li-min Tian;Yao Gao;Yu-hui Zheng;Hong-Chen Wang
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.107-122
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2024
Following an internal column failure, adjacent double-span beams above the failed column will play a critical role in the load transfer and internal force redistribution within the remaining structure, and the span-to-depth ratios of double-span beams significantly influence the structural resistance capacity against progressive collapse. Most existing studies have focused on the collapse-resistant performances of single-story symmetric structures, whereas limited published works are available on the collapse resistances of multi-story steel frames with unequal spans. To this end, in this study, numerical models based on shell elements were employed to investigate the structural behavior of multi-story steel frames with unequal spans. The simulation models were validated using the previous experimental results obtained for single- and two-story steel frames, and the load-displacement responses and internal force development of unequal-span three-story steel frames under three cases were comprehensively analyzed. In addition, the specific contributions of the different mechanism resistances of unequal-span, double-span beams of each story were separated quantitatively using the energy equilibrium theory, with an aim to gain a deeper level of understanding of the load-resistance mechanisms in the unequal-span steel frames. The results showed that the axial and flexural mechanism resistances were determined by the span ratio and linear stiffness ratio of double-span beams, respectively.
The nonlinear behavior of a connection has an influence on the behavior (the $P-\Delta$ effect) and the stability of a steel unbraced frame when a semi-rigid connection is applied as a beam-to-column connection. Therefore, the effects of a connection's non-linear behavior on the behavior and stability of a steel unbraced frame were investigated using second-order inelastic analysis, after which the main influence factors and their behavioral tendencies were studied. The study results showed that the nonlinear behavior of a connection directly affects the stability of a steel unbraced frame, and that the main influence factors are the rotational stiffness of the connection and the location of a semi-rigid connection.
In this paper a systematic numerical analysis is performed to obtain the bending moment resisting capacity of a top and seat angle connection, which is a type of partially restrained connection, for a CFT composite frame subjected to cyclic loading. This partially restrained composite CFT connections are fabricated using high strength steel connection bar. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the rotational stiffness, bending moment capacity, and failure modes. A wide scope of additional structural behaviors explain the different influences of the top and seat angle connection's parameters, such as the different thickness of connection angles and the gage distances of the high strength steel bar. The moment-rotation angle relationships obtained from the finite element analysis are compared with those from Richard's theoretical equation.
The design criteria and the corresponding performance levels characterize the response of extended stiffened end-plate beam-to-column joints. In order to guarantee a ductile behavior, hierarchy criteria should be adopted to enforce the plastic deformations in the ductile components of the joint. However, the effectiveness of thesecriteria can be impaired if the actual resistance of the end-plate material largely differs from the design value due to the potential activation of brittle failure modes of the bolt rows (e.g., occurrence of failure mode 3 in the place of mode 1 per bolt row). Also the number and the position of bolt rows directly affect the joint response. The presence of a bolt row in the center of the connection does not improve the strength of the joint under both gravity, wind and seismic loading, but it can modify the damage pattern of ductile connections, reducing the gap opening between the end-plate and the column face. On the other hand, the presence of a central bolt row can influence the capacity of the joint to resist the catenary actions developing under a column loss scenario, thus improving the joint robustness. Aiming at investigating the influence of these features on both the cyclic behavior and the response under column loss, a wide range of finite element analyses (FEAs) were performed and the main results are described and discussed in this paper.
Non-linear finite element analysis for newly developed precast concrete details for beam-to-column connection which can be used in moderate seismic region was carried out in this study. Developed precast system is based on composite structure and which have steel tube in column and steel plate in beam. Improving cracking strength of joint under reversed cyclic loading, joint area was casted with ECC (Engineering Cementitious Composites). Since this newly developed precast system have complex sectional properties and newly developed material, new analysis method should be developed. Using embedded elements and models of non-linear finite element analysis program ABAQUS previously tested specimens were successfully analyzed. Analysis results show comparatively accurate and conservative prediction. Using finite element model, effect of axial load magnitude and flexural strength ratio were investigated. Developed connection have optimized performance under axial load of 10~20% of compressive strength of column. Plastic hinge was successfully developed with flexural strength ratio greater than 1.2.
The PCS system, which consists of precast concrete column and steel beam, is a kind of composite structural systems. In this paper, experimental study has been conducted to analyze seismic performance of bolted beam-to-column connections for the PCS system. Based on experimental results from the seismic testing of eight interior PCS specimens, it shows that behavior of PCS system is satisfactory to seismic performance criteria of ACI such as strength deterioration, stiffness degradation and energy dissipation capacity except initial stiffness. All of the specimens maintain their strength at large levels of story drift without significant loss of stiffness and show high ductility level for inelastic behavior. The energy dissipation capacity is two times greater than requirement of ACI criterion. But the initial stiffness of all specimens does not satisfy ACI criterion, and this phenomenon is similar to the other composite structural systems such as RCS, CFT system.
For the connections between modular units in modular buildings, the bolted joints with connector plates are used commonly. The strength of structure is determined by the weakest part of structure and the connections may be weaker than the members being joined. Therefore, to check the safety of modular building, the structural performance of connections between modular units as well as that of beam-to-column connections should be evaluated. In this study, the behavior of module to module connection with straight and cross shaped connector plates is investigated by lateral cyclic tests according to KBC2009 0722.2.4 which shall be conducted by controlling the story drift angle in the width and the longitudinal direction respectively. All of test results generally show the stable ductile behavior up to 0.04rad drift levels and the tests in longitudinal direction show a superior energy dissipation per cycle in each of the load steps. However, the straight shaped connector plates have the degradation of stiffness with cyclic loading and the larger drift angle of column than the cross shaped connector plates.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.10
no.2
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pp.123-133
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2006
The main objective of this study is to develop an optimization algorithm of framed structures with rigid and various semi-rigid connections using the multilevel dynamic programming and the sequential unconstrained minimization techniques (SUMT). The second-order elastic analysis is performed for steel framed structures. The second order elastic analysis is developed based on nonlinear beam-column theory considering the bowing effect. The following semi-rigid connections are considered; double web angle, top-seat angle and top-seat angle with web angle. We considered the three connection models, such as modified exponential, polynomial and three parameter model. The total weight of the structural steel is used as the objective function in the optimization process. The dimensions of steel cross section are selected as the design variables. The design constraints consist of strength requirements for axial, shear and flexural resistance and serviceability requirements.
An experimental study was carried out for beam-column joints composed of RC column and RS beams. The purpose of this study is to examine the inelastic seismic behavior for the RC-RS connection. Two interior and one exterior beam-column assemblies with variable moment ratios were tested. Experimental results showed that strength and deformability except stiffness were satisfactory. It is considered that the lack of stiffness was due to the slipping of steel beam from RS beam. The behavioral characteristics of the RC-RS connection were evaluated according to the quideline suggested by Hawkins et al. Nominal strength at 5 % joint distortion was not satisfactory, but all the other requirements, such as strength preserving capability, energy dissipation, and initial stiffness and strength ratios after peak load were satisfactory compared with the guideline. Thus it was concluded that the RC-RS connections can maintain ductility with excellent energy-dissipating capacity if being provided with appropriate reinforced structural system such as RC core wall for the initial lateral stiffness.
Base isolation is a well-established passive strategy for seismic response control of buildings. In this paper, an efficient framework is proposed for reliability-based design optimization (RBDO) of isolated buildings subjected to uncertain earthquakes. The framework uses reduced function evaluations method, as an efficient tool for structural reliability analysis, and an efficient optimization algorithm for optimal structural design. The probability of failure is calculated considering excessive base displacement, superstructure inter-storey drifts, member stress ratios and absolute accelerations of floors of the isolated building as failure events. The behavior of rubber bearing isolators is modeled using nonlinear hysteretic model and the variability of future earthquakes is modeled by applying a probabilistic approach. The effects of pulse component of stochastic near-fault ground motions, fixity-factor of semi-rigid beam-to-column connections, values of isolator parameters, earthquake magnitude and epicentral distance on the performance and safety of semi-rigidly connected base-isolated steel framed buildings are studied. Suitable RBDO examples are solved to illustrate the results of investigations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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