The paper presents shear lag parameters for beam-to-column connections in steel box piers. Previous researches have analyzed beam-to-column connections in steel piers using a shear lag parameter ${\eta}_o$ obtained from a simple beam model, which is not based on a reasonable design assumption. Instead, the current paper proposes a cantilever beam model and has proved the effectiveness through theoretical and experimental studies. The paper examines the inaccuracy of the previous researches by estimating the effective width, the width-span length ratio L/b, and the sectional area ratio S of a cantilever beam. Two different shear lag parameters are defined using the cantilever model and the results are compared each other. The first type of shear lag parameter ${\eta}_c$ of a cantilever beam is derived using additional moments from various stress distribution functions while the other shear lag parameter ${\eta}_{eff}$ of a cantilever beam is defined based on the concept of the effective width. An evaluation method for shear lag stresses has been investigated by comparing analytical stresses with test results. Through the study, it could be observed that the shear lag parameter ${\eta}_{eff}$ agrees with ${\eta}_c$ obtained from the $2^{nd}$ order stress distribution function. Also, it could be observed that the shear lag parameter ${\eta}_c$ using the $4^{th}$ order stress distribution function almost converges to the upper bound of test results.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.11a
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pp.452-458
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2007
The vertical extension of a building in general remodeling process increases both gravity and seismic loads by simply adding masses to the building. In this study, a vertical extension structural module (VESM) is proposed for enhancing seismic performance of the existing buildings by utilizing the story-increased parts. The proposed VESM is composed of steel column, steel beam, and beam-end rotational damper. The steel columns are connected to the shear walls and transfer the wall rotation in out-of plane to the steel beam, and then the beam-end rotational damper dissipates the earthquake-induced energy. Numerical analysis result from a cantilever beam of which end-rotation is restricted by rotational damper indicates that the displacement, base shear, and base overturning moment of the existing structures showing cantilever behavior can be significantly reduced by using the proposed method. Also, it is observed that friction-type rotational damper is effective than viscous one.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.6
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pp.589-597
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2008
The vertical extension of a building in general remodeling process increases both gravity and seismic loads by simply adding masses to the building. In this study, a vertical extension structural module(VESM) is proposed for enhancing seismic performance of the existing buildings by utilizing the story-increased parts. The proposed VESM is composed of steel column, steel beam, and beam-end rotational damper. The steel columns are connected to the shear walls and transfer the wall rotation in out-of plane to the steel beam, and then the beam-end rotational damper dissipates the earthquake-induced energy. Numerical analysis result from a cantilever beam of which end-rotation is restricted by rotational damper indicates that the displacement, base shear, and base overturning moment of the existing structures showing cantilever behavior can be significantly reduced by using the proposed method. Also, it is observed that friction-type rotational damper is effective than viscous one.
The overall buckling mode in a composite steel-concrete beam over an internal support is necessarily lateral-distortional, in which the bottom compressive range displaces laterally and twists, since the top flange is restrained by the nearly rigid concrete slab. An efficient finite element method is used to study elastic lateral-distortional buckling in composite beams whose steel portion is tapered. The simplified model for a continuous beam that is presented herein is a fixed ended cantilever whose steel portion is tapered, and is subjected to moment gradient. This is intended to give an insight into distortion in a continuous beam that occurs in the negative bending region, and the differences between the cantilever representation and the continuous beam are highlighted. An eigenproblem is established, and the buckling modes and loads are determined in the elastic range of structural response. It is found from the finite element study that the buckling moment may be enhanced significantly by using a vertical stiffener in the region where the lateral movement of the bottom range is greatest. This enhancement is quantified in the paper.
A numerical method is presented for computation of eigenvector derivatives used an iterative procedure with guaranteed convergence. An approach for treating the singularity in calculating the eigenvector derivatives is presented, in which a shift in each eigenvalue is introduced to avoid the singularity. If the shift is selected properly, the proposed method can give very satisfactory results after only one iteration. A criterion for choosing an adequate shift, dependent on computer hardware is suggested ; it is directly dependent on the eigenvalue magnitudes and the number of bits per numeral of the computer. Another merit of this method is that eigenvector derivatives with repeated eigenvalues can be easily obtained if the new eigenvectors are calculated. These new eigenvectors lie "adjacent" to the m (number of repeated eigenvalues) distinct eigenvectors, which appear when the design parameter varies. As an example to demonstrate the efficiency of the proposed method in the case of distinct eigenvalues, a cantilever plate is considered. The results are compared with those of Nelson's method which can find the exact eigenvector derivatives. For the case of repeated eigenvalues, a cantilever beam is considered. The results are compared with those of Dailey's method which also can find the exact eigenvector derivatives. The design parameter of the cantilever plate is its thickness, and that of the cantilever beam its height.
In this study, natural frequency analysis of a large deflected cantilever laminated composite beam fixed at both ends, which forms the case of a pre-stressed curved beam, is investigated. The laminated beam is considered to have symmetric and asymmetric lay-ups and the effective flexural modulus of the beam is used in the analysis. In order to obtain the pre-stressed composite curved beam case, an external vertical concentrated load is applied at the free end of a cantilever laminated composite beam and then the loading point of the deflected beam is fixed. The non-linear deflection curve of the flexible beam undergoing large deflection is obtained by the Reversion Method. The curved laminated composite beam is modeled by using the Finite Element Method with a straight-beam element approach. The effects of orientation angle and vertical load on the natural frequency parameter for the first four modes are examined and the results obtained are given in graphics. It has been found that the effect of the load parameter, which forms the curved laminated beam, on the natural frequency parameter, almost disappears after a certain value of the load parameter. This certain value differs for each laminated curved beam and each vibration mode.
A new steel connection method using wedges known as Self-Locking Connector has been developed. In this study, experimental investigation was conducted to verify the seismic performance of steel beam-to-column joints with Self-Locking Connectors. Cyclic-loading tests were performed on two beam-to-column joints with Self-Locking Connectors. The two beam-to-column joint specimens were of the cantilever-type and had the same details. Test results showed that beam-to-column joints with Self-Locking Connectors were able to developa total rotation capacity of 0.06 radian, which is greater than the 0.04 radian required for Special Moment Frames. Moreover, their energy absorption capacity was much greater than that of conventional joints.
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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.243-250
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2004
This paper reports on the evaluation of the initial stiffness of steel joints using component method as well as experimental tests. The so-called component method corresponds precisely to a simplified mechanical model composed of extensional springs and rigid links, whereby the joint is simulated by an appropriate choice of rigid and flexible components. An application to a cantilever beam-to-column steel joint is presented and compared to the experimental results obtained under cyclic loading condition. Comparison between numerical and experimental results allows to conclude that the numerical model is able to simulate, with a good level of accuracy for initial stiffness, the behaviour of beam-to-column joints.
Altunisik, Ahmet C.;Ates, Sevket;Husem, Metin;Genc, Ali F.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.3
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pp.273-283
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2017
In this paper, it is aimed to present a detail investigation related to structural behavior of laterally unrestrained steel cantilever roof of tribune with slender cross section. The structure is located in Tutak town in $A{\breve{g}}r{{\i}}$ and collapsed on October 25, 2015 at eastern part of Turkey is considered as a case study. This mild sloped roof structure was built from a variable I beam, and supported on steel columns of 5.5 m height covering totally $240m^2$ closed area in plan. The roof of tribune collapsed completely without any indication during first snowfall after construction at midnight a winter day, fortunately before the opening hours. The meteorological records and observations of local persons are combined together to estimate the intensity of snow load in the region and it is compared with the code specified values. Also, the wide/thickness and height/thickness ratios for flange and web are evaluated according to the design codes. Three dimensional finite element model of the existing steel tribune roof is generated considering project drawings and site investigations using commercially available software ANSYS. The displacements, principal stresses and strains along to the cantilever length and column height are given as contour diagrams and graph format. In addition to site investigation, the numerical and analytical works conducted in this study indicate that the unequivocal reasons of the collapse are overloading action of snow load intensity, some mistakes made in the design of steel cantilever beams, insufficient strength and rigidity of the main structural elements, and construction workmanship errors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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