Non-moment beam-to-column connections, which are usually referred to as simple or shear connections, are typically designed to carry only gravity loads in the form of vertical shears. Although in the analysis of structures these connections are usually assumed to be pinned, they may provide a small amount of rotational stiffness due to the typical connection details. This paper investigates the effects of this small rotational restraint of simple beam-to-column connections on the behavior and seismic response of steel braced non-moment resisting frames. Two types of commonly used simple connections with bolted angles, i.e., the Double Web angle Connection (DWC) and Unstiffened Seat angle Connection (USC) are considered for this purpose. In addition to the pinned condition - as a simplified representation of these connections - more accurate semi-rigid models are established and then applied to some frame models subjected to nonlinear pushover and nonlinear time history analyses. Although the use of bracing elements generally reduces the sensitivity of the global structural response to the behavior of connections, the obtained results indicate considerable effects on the local responses. Namely, our results show that consideration of the real behavior of connections is essential in designing the column elements where the pin-connection assumption significantly underestimates design of outer columns of upper stories.
The major sources of energy dissipation in steel frames with partially restrained (PR) connections are evaluated. Available experimental results are used to verify the mathematical model used in this study. The verified model is then used to quantify the energy dissipation in PR connections due to hysteretic behavior, due to viscous damping and at plastic hinges if they are formed. Observations are made for two load conditions: a sinusoidal load applied at the top of the frame, and a sinusoidal ground acceleration applied at the base of the frame representing a seismic loading condition. This analytical study confirms the general behavior, observed during experimental investigations, that PR connections reduce the overall stiffness of frames, but add a major source of energy dissipation. As the connections become stiffer, the contribution of PR connections in dissipating energy becomes less significant. A connection with a T ratio (representing its stiffness) of at least 0.9 should not be considered as fully restrained as is commonly assumed, since the energy dissipation characteristics are different. The flexibility of PR connections alters the fundamental frequency of the frame. Depending on the situation, it may bring the frame closer to or further from the resonance condition. If the frame approaches the resonance condition, the effect of damping is expected to be very important. However, if the frame moves away from the resonance condition, the energy dissipation at the PR connections is expected to be significant with an increase in the deformation of the frame, particularly for low damping values. For low damping values, the dissipation of energy at plastic hinges is comparable to that due to viscous damping, and increases as the frame approaches failure. For the range of parameters considered in this study, the energy dissipations at the PR connections and at the plastic hinges are of the same order of magnitude. The study quantitatively confirms the general observations made in experimental investigations for steel frames with PR connections; however, proper consideration of the stiffness of PR connections and other dynamic properties is essential in predicting the dynamic behavior.
Lopez-Barraza, Arturo;Ruiz, Sonia E.;Reyes-Salazar, Alfredo;Bojorquez, Eden
Steel and Composite Structures
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v.20
no.5
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pp.1155-1171
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2016
Post-tensioned (PT) steel moment resisting frames (MRFs) with semi-rigid connections (SRC) can be used to control the hysteretic energy demands and to reduce the maximum inter-story drift (${\gamma}$). In this study the seismic behavior of steel MRFs with PT connections is estimated by incremental nonlinear dynamic analysis in terms of dissipated hysteretic energy ($E_H$) demands. For this aim, five PT steel MRFs are subjected to 30 long duration earthquake ground motions recorded on soft soil sites. To assess the energy dissipated in the frames with PT connections, a new expression is proposed for the hysteretic behavior of semi-rigid connections validated by experimental tests. The performance was estimated not only for the global $E_H$ demands in the steel frames; but also for, the distribution and demands of hysteretic energy in beams, columns and connections considering several levels of deformation. The results show that $E_H$ varies with ${\gamma}$, and that most of $E_H$ is dissipated by the connections. It is observed in all the cases a log-normal distribution of $E_H$ through the building height. The largest demand of $E_H$ occurs between 0.25 and 0.5 of the height. Finally, an equation is proposed to calculate the distribution of $E_H$ in terms of the normalized height of the stories (h/H) and the inter-story drift.
Semi-rigid connections are the actual behavior of beam-to-column connections in steel frames. However, the behavior of semi-rigid connections is not taken into account for the simplicity in the conventional analysis and design of steel frames. A computer-based analysis and design has been studied for the three-dimensional steel frames with semi-rigid connections. The nonlinear analysis which includes the effects of the flexibility of connections is used for this study. It is designed according to the buckling and combined stress constraints under the present loading after the joint deformations and the member end forces of the space frame are determined by the stiffness matrix method. The semi-rigid connection type is limited to the top and bottom angles with a double web angle connection. The Frye-Morris polynomial model is used to describe the non-linear behavior of semi-rigid connections. Various design examples are presented to demonstrate the efficiency of the method. The results of design and analysis of unbraced semi-rigid frames are compared to the results of unbraced rigid frames under the same design requirements.
Choi, Byoung-Han;Gupta, Abhinav;Baugh, John W. Jr.
Structural Engineering and Mechanics
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v.43
no.1
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pp.31-51
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2012
This paper presents a computational study that explores the design of rigid steel frames by considering construction related costs. More specifically, two different aspects are investigated in this study focusing on the effects of (a) reducing the number of labor intensive rigid connections within a frame of given geometric layout, and (b) reducing the number of different member section types used in the frame. A genetic algorithm based optimization framework searches design space for these objectives. Unlike some studies that express connection cost as a factor of the entire frame weight, here connections and their associated cost factors are explicitly represented at the member level to evaluate the cost of connections associated with each beam. In addition, because variety in member section types can drive up construction related costs, its effects are evaluated implicitly by generating curves that show the trade off between cost and different numbers of section types used within the frame. Our results show that designs in which all connections are considered to be rigid can be excessively conservative: rigid connections can often be eliminated without any appreciable increase in frame weight, resulting in a reduction in overall cost. Eliminating additional rigid connections leads to further reductions in cost, even as frame weight increases, up to a certain point. These complex relationships between overall cost, rigid connections, and member section types are presented for a representative five-story steel frame.
This paper experimentally studies the cyclic behavior of hybrid connections between steel coupling beams and concrete shear walls with embedded steel columns. Four beam-to-wall connection specimens with short and long embedded steel columns are tested under monotonic and cyclic loads, respectively. The influence of embedment length of columns on the failure mode and performance of connections is investigated. The results show that the length of embedded steel columns has significant effect on the failure mode of connections. A connection with a long embedded column has a better stiffness, load-bearing capacity and ductility than that of a short embedded column. The former fails due to the shear yielding of column web in the joint panel, while failure of the latter is initiated by the yielding of horizontal reinforcement in the wall due to the rigid rotation of the column. It is recommended that embedded steel columns should be placed along the entire height of shear walls to facilitate construction and enhance the ductility.
Connections to circular hollow steel sections (CHS) are considered one of the most complex and time consuming connections in steel construction. Such connections are usually composed of gusset plates welded to the outside of the steel tube or penetrating the steel tube. Design guides, accounting for the effect of connection configuration on the strength of the connection, are not present. This study aims to investigate, through experimental testing and a parametric study, the influence of connection configuration on the strength of one sided branch plate-to-CHS members. A notable effect was observed on the behavior of the connections due to its detailing changes with respect to capacity, failure mode, ductility, and stress distribution. A parametric study is performed using the calibrated analytical model to include a wider range of parameters. The study involves 26 numerical analyses of finite element models including parameters of the diameter-to-thickness (D/t) ratio, length of gusset plate, and connection configuration. Accordingly, a modification to the formulas provided by the current design recommendations was suggested to include connection configuration effects for the one sided branch plate-to-CHS members.
In steel frames, the analysis and design techniques are based on either idealized fixed or pinned connections. In this case, it has the advantage that the structural analysis and the design procedure were simplified, but there could be given different results of analysis between the real steel frame connections and the idealized fixed and pinned connection. This is because the real connections would be analyzed by semi-rigid, and have some transfer of moment and rotational constraint about the loads. In this study, structural analysis program with considered connections that have joint rigidity of fixed, pinned and semi-rigid, was developed. Then, the effects of joint rigidity on strength and displacement. in steel frames subjected to lateral forces and axial forces, were investigate, and the results were compared with those of the Midas Gen. w program.
The new structure consisting of continuous compound spiral hoop reinforced concrete (CCSHRC)column and steel concrete composite (SCC) beam has both the advantages of steel structures and concrete structures. Two types of beam-to-column connections applied in this structural system are presented in this paper. The connection details are as follows: the main bars in beam concrete pass through the core zone for both types of connections. For connecting bar connection, the steel I-beam webs are connected by bolts to a steel plate passing through the joint while the top and bottom flanges of the beams are connected by four straight and two X-shaped bars. For bolted end-plate connection, the steel I-beam webs are connected by stiffened extended end-plates and eight long shank bolts passing through the core zone. In order to study the seismic behaviour and failure mechanisms of the connections, quasi-static tests were conducted on both types of full-scale connection subassemblies and core zone specimens. The load-drift hysteresis loops show a plateau for the connecting bar connection while they are excellent plump for bolted end-plate connection. The shear capacity formulas of both types of connections are presented and the values calculated by the formula agree well with the test results.
After observing relatively poor performance of bolted web-welded flange beam-to-column connections during 1994 Northridge earthquake, various types of connections based on two concepts of: (i) strengthening the connection; and (ii) weakening the beam ends were proposed. Among these modified or newly proposed connections, bolted T-stub connection follows the concept of strengthening. One of the connections with the idea of weakening the beam ends is reduced beam section (RBS). In this paper, finite element simulation is used to study the cyclic behavior of a new proposed connection developed by using a combination of both mentioned concepts. Investigated connections are exterior beam-to-column connections designed to comply with AISC provisions. The results show that moment capacity and dissipated energy of the new proposed connection is almost the same as those computed for a T-stub connection and higher than corresponding values for an RBS connection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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