A finite element analysis (FEA) model is established to investigate the concrete-encased concrete-filled steel tubular (CFST) column to reinforced concrete (RC) beam joints under cyclic loading. The feasibility of the FEA model is verified by a set of test results, consisting of the failure modes, the exposed view of connections, the crack distributions and development, and the hysteretic relationships. The full-range analysis is conducted to investigate the stress and strain development process in the composite joint by using this FEA model. The internal force distributions of different components, as well as the deformation distributions, are analyzed under different failure modes. The proposed connections are investigated under dimensional and material parameters, and the proper constructional details of the connections are recommended. Parameters of the beam-column joints, including material strength, confinement factor, reinforcement ratio, diameter of steel tube to sectional width ratio, beam to column linear bending stiffness ratio and beam shear span ratio are evaluated. Furthermore, the key parameters affecting the failure modes and the corresponding parameters ranges are proposed in this paper.
In order to clarify the behavior of beam-to-concrete filled steel tube column under cyclic loading condition, experimental studies were carried out on shear connections. Test parameters of this study are the width-to-thickness ratio and the effect on beams with or without slab and diaphragm. Test results show that the moment-rotation relationships of connections without slab are in the range of AISC regulation of pinned connections and the rotation capacity of connection is dependent upon the width-to-thickness ratio of the column.
The behavior of moment resistant steel structures depends on both the beam-column connections and columns foundations connections. Obviously, if the connections can meet the adequate ductility and resistance against lateral loads, the seismic capacity of these structures will be linked practically to the performance of these connections. The shape memory alloys (SMAs) have been most recently used as a means of energy dissipation in buildings. The main approach adopted by researchers in the use of such alloys is firstly bracing, and secondly connecting the beams to columns. Additionally, the behavior of these alloys is modeled in software applications rarely involving equivalent torsional springs and column-foundation connections. This paper attempts to introduce the shape memory alloys and their applications in steel structural connections, proposing a new steel column-foundation connection, not merely a theoretical model but practically a realistic and applicable model in structures. Moreover, it entails the same functionality as macro modeling software based on real behavior, which can use different materials to establish a connection between the columns and foundations. In this paper, the suggested steel column-foundation connection was introduced. Moreover, exploring the seismic dynamic behavior under cyclic loading protocols and the famous earthquake records with different materials such as steel and interconnection equipment by superelastic shape memory alloys have been investigated. Then, the results were compared to demonstrate that such connections are ideal against the seismic behavior and energy dissipation.
This paper describes a new type of replaceable fuse for moment resisting frames. Column-tree connections with beam splice connections are frequently preferred in the moment resisting frames since they eliminate field welding and provide good quality. In the column-tree connections, a part of the beam is welded to the column in the shop and the rest of the beam is bolted with the splice connection in the field. In this study, a replaceable reduced beam section (R-RBS) connection is proposed in order to eliminate welding process and facilitate assembly at the site. In the proposed R-RBS connection, one end is connected by a beam splice connection to the beam and the other end is connected by a bolted end-plate connection to the column. More importantly is that the proposed R-RBS connection allows the replacement of the damaged R-RBS easily right after an earthquake. Pursuant to this goal, experimental and numerical studies have been undertaken to investigate the performance of the R-RBS connection. An experimental study on the RBS connection was used to substantiate the numerical model using ABAQUS, a commercially available finite element software. Additionally, five different finite element models were developed to conduct a parametric study. The results of the analysis were compared in terms of the moment and energy absorption capacities, PEEQ, rupture and tri-axiality indexes. The design process as well as the optimum dimensions of the R-RBS connections are presented. It was also demonstrated that the proposed R-RBS connection satisfies AISC criteria based on the nonlinear finite element analysis results.
El Kadi, Bassel;Cosgun, Cumhur;Mangir, Atakan;Kiymaz, Guven
Steel and Composite Structures
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v.23
no.2
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pp.143-152
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2017
This paper focuses on the seismic performance of pallet-type steel storage rack structures in their down aisle direction. As evidenced by experimental research, the seismic response of storage racks in the down-aisle direction is strongly affected by the nonlinear moment-rotation response of the beam-to-column connections. In their down-aisle direction, rack structures are designed to resist lateral seismic loads with typical moment frames utilizing proprietary beam-to-column moment-resisting connections. These connections are mostly boltless hooked type connections and they exhibit significantly large rotations resulting in large lateral frame displacements when subjected to strong ground motions. In this paper, typical hooked boltless beam-to-column connections are studied experimentally to obtain their non-linear reversed cyclic moment-rotation response. Additionally, a compound type connection involving the standard hooks and additional bolts were also tested under similar conditions. The simple introduction of the additional bolts within the hooked connection is considered to be a practical way of structural upgrade in the connection. The experimentally evaluated characteristics of the connections are compared in terms of some important performance indicators such as maximum moment and rotation capacity, change in stiffness and accumulated energy levels within the cyclic loading protocol. Finally, the obtained characteristics were used to carry out seismic performance assessment of rack frames incorporating the tested beam-to-column connections. The assessment involves a displacement based approach that utilizes a simple analytical model that captures the seismic behavior of racks in their down-aisle direction. The results of the study indicate that the proposed method of upgrading appears to be a very practical and effective way of increasing the seismic performance of hooked connections and hence the rack frames in their down-aisle direction.
Kim, Sang Seup;Lee, Do Hyung;Ham, Jeong Tae;Kim, Kyu Suk
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.1
s.68
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pp.169-180
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2004
One of the most influential elements is the moment resisting beam-to-column connection vis-a-vis the behavior and cost of multistory steel building frames. Majority of these connections are column flange connections attached to beam frames. This is called strong-axis connection. Another type of moment resisting connection commonly found in building frames is the web axis connection. In this type of connection, the beams are attached to the plane of the column web perpendicularly. It is called the weak-axis beam. and it tends to bend the column at its weak axis. In this study, some of the fundamental behaviors of beam-to-column connections were examined by changing the connection details as weil as comparing them with previous connection details. This study sought to develop the details in the beam-to-column connection in the weak axis for middle- and low-rise steel construction systems.
In this article, a genetic algorithm based optimum design method is presented for non-linear steel frames with semi-rigid connections. The design algorithm obtains the minimum weight frame by selecting suitable sections from a standard set of steel sections such as European wide flange beams (i.e., HE sections). A genetic algorithm is employed as optimization method which utilizes reproduction, crossover and mutation operators. Displacement and stress constraints of Turkish Building Code for Steel Structures (TS 648, 1980) are imposed on the frame. The algorithm requires a large number of non-linear analyses of frames. The analyses cover both the non-linear behaviour of beam-to-column connection and $P-{\Delta}$ effects of beam-column members. The Frye and Morris polynomial model is used for modelling of semi-rigid connections. Two design examples with various type of connections are presented to demonstrate the application of the algorithm. The semi-rigid connection modelling results in more economical solutions than rigid connection modelling, but it increases frame drift.
A nonlinear semi-three-dimensional layered finite element procedure is developed for cracking and failure analysis of reinforced concrete beams and the spandrel beam-column-slab connections of flat plates. The layered element approach takes the elasto-plastic failure behaviour and geometric nonlinearity into consideration. A strain-hardening plasticity concrete model and a smeared steel model are incorporated into the layered element formulation. Further, shear failure, transverse reinforcement, spandrel beams and columns are successfully modelled. The proposed method incorporating the nonlinear constitutive models for concrete and steel is implemented in a finite element program. Test specimens including a series of reinforced concrete beams and beam-column-slab connections of flat plates are analysed. Results confirm the effectiveness and accuracy of the layered procedure in predicting both flexural and shear cracking up to failure.
The harmony search method based optimum design algorithm is presented for geometrically non-linear semi-rigid steel frames. Harmony search method is recently developed metaheuristic algorithm which simulates the process of producing a musical performance. The optimum design algorithm aims at obtaining minimum weight steel frames by selecting from standard set of steel sections such as European wide flange beams (HE sections). Strength constraints of Turkish Building Code for Steel Structures (TS648) specification and displacement constraints were used in the optimum design formulation. The optimum design algorithm takes into account both the geometric non-linearity of the frame members and the semi-rigid behaviour of the beam-to-column connections. The Frye-Morris polynomial model is used to calculate the moment-rotation relation of beam-to-column connections. The robustness of harmony search algorithm, in comparison with genetic algorithms, is verified with two benchmark examples. The comparisons revealed that the harmony search algorithm yielded not only minimum weight steel frames but also required less computational effort for the presented examples.
Lee, Do Hyung;Ham, Jeong Tae;Kim, Sung Bae;Kim, Young Ho;Kim, Sang Seup
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.5
s.72
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pp.641-652
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2004
The strong beam-to-column axis connections in steel structures have been studied for a long time to develop the strength and resistance of the connections. There have been very few studies, however, related to weak axis connections. Domestically, the bracket-type connection is commonly used in weak axis connections to elevate the efficiency of the constructions when the steel structures are constructed. The bracket-type connection detail has been applied moderately to weak axis connections. Therefore, the bracket-type connection in weak axis connections might be brittle and over-designed. The results of this study showed that the welding on the web of the column and the beam was unnecessary. In addition, this study confirmed that the new weak axis connection proposed in this study was superior to the previous connection in terms of strength and ductility.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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