A concentric braced steel frame is a very efficient structural system because it requires relatively smaller amount of materials to resist lateral forces. However, primarily developed as a structural system to resist wind loads based on an assumption that the structure behaves elastically, a concentric braced frame possibly experiences the deterioration in energy dissipation after brace buckling and the brittle failure of braces and connections when earthquake loads cause inelastic behavior. Consequently, plastic deformation is concentrated in the floor where brace buckling occurs first, which can lead to the rupture of the structure. This study suggests reinforcing H-shaped braces with non-welded cold-formed stiffeners to restrain flexure and buckling and resist tensile force and compressive force equally. Weak-axis reinforcing members (2 pieces) developed from those suggested in previous studies (4 pieces) were used to reinforce the H-shaped braces in an inverted V-type braced frame. Monotonic loading tests, finite element analysis and cyclic loading tests were carried out to evaluate the structural performance of the reinforced braces and frames. The reinforced braces satisfied the AISC requirement. The reinforcement suggested in this study is expected to prevent the rupture of beams caused by the unbalanced resistance of the braces.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.5
no.2
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pp.263-276
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2013
Most yacht sails are made of thin fabric, and they have a cambered shape to generate lift force; however, their shape can be easily deformed by wind pressure. Deformation of the sail shape changes the flow characteristics over the sail, which in turn further deforms the sail shape. Therefore, fluid-structure interaction (FSI) analysis is applied for the precise evaluation or optimization of the sail design. In this study, fluid flow analyses are performed for the main sail of a 30-foot yacht, and the results are applied to loading conditions for structural analyses. By applying the supporting forces from the rig, such as the mast and boom-end outhaul, as boundary conditions for structural analysis, the deformed sail shape is identified. Both the flow analyses and the structural analyses are iteratively carried out for the deformed sail shape. A comparison of the flow characteristics and surface pressures over the deformed sail shape with those over the initial shape shows that a considerable difference exists between the two and that FSI analysis is suitable for application to sail design.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.17
no.3
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pp.45-55
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2017
The objective of this study is to estimate the mechanical characteristics and nonlinear behaviors on the geometric nonlinear analysis of curved cable-membrane roof systems for long span lightweight roof structures. The weight of a cable-membrane roof dramatically can reduce, but the single layer cable-membrane roof systems are too flexible and difficult to achieve the required structural stiffness. A curved cable roof system with reverse curvature works more effectively as a load bearing system, the pretension of cables can easily increase the structural stiffness. The curved cable roof system can transmit vertical loads in up and downward direction, and work effectively as a load bearing structure to resists self-weights, snow and wind loads. The nonlinear behavior and mechanical characteristics of a cable roof system has greatly an affect by the sag and pretension. This paper is carried out analyzing and comparing the tensile forces and deflection of curved roof systems by vertical loads. The elements for analysis uses a tension only cable element and a triangular membrane element with 3 degree of freedom in each node. The authors will show that the curved cable-membrane roof system with reverse curvature is a very lightweight and small deformation roof for external loads.
Proceedings of the Korean Institute of Building Construction Conference
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2009.11a
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pp.31-34
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2009
Large outrigger elements tie the concrete core to perimeter columns, significantly increasing the building's lateral stiffness as well as its resistance to overturning due to wind. The outriggers are deep elements, and large tie forces are resisted by top and bottom heavy longitudinal reinforcing and vertical ties. To reduce construction costs, all primary reinforcing bars in outrigger levels are SD500. Further, concrete strengths of 80MPa have been specified for outrigger elements. However, the reductions in the amount of concrete and reinforcement steel are more increased in tall building. With these backgrounds, 80MPa high strength concrete outrigger system using post tension method is developed. Significant economic savings can be made by reducing the element sizes and material content. The developed outrigger system is designed using strut-and-tie models. In addition, four 1/4-scale test specimens were selected from the same prototype structure. The results from the tests are confirmed that the structural behaviors of the developed outrigger member have better capacities than those of a conventional method.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.2
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pp.15-26
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1991
The lateral forces such as the earthquake and wind my cause the torsion to be coupled with the lateral bending in the gider, the cross-section of wich has only one axis of symmetry. This induces additional stresses especially in cables arranged in double-planes. Since this effect cannot be considered by using the conventional frame elements, the stiffness and the mass matrices of the geometrically nonlinear thin-walled frame element are developed in this study to model the girder. The equivalent modulus of elasticity proposed by Ernst is used for the cable elements. Verification of the present theory is made through a numerical example. Then, the free vibration of a three dimensional cable-stayed bridge is analyzed to study the coupled flexural-torsional behavior.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.55
no.5
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pp.421-430
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2018
The shape of a yacht sail made of thin fabric materials is easily deformed by wind speed and direction and it is affected by the deformation of the standing rig such as mast, boom, shrouds, stays and spreaders. This deformed sail shape changes the air flow over the sail, it makes the deformation of the sail and the rig again. To get a sail performance accurately these interactive behavior of sail system should be studied in aspects of the aerodynamics and the fluid-structure interaction. In this study aerodynamic analysis for the sail system of a 30 feet sloop is carried out and the obtained dynamic pressure on the sail surface is applied as the loading condition of the calculation to get the deformations of the sail shape and the rig. Supporting forces by rig are applied as boundary condition of the structure deformation calculations. And the characteristics of the air flow and the dynamic pressure over the deformed sail shape is investigated repeatedly including the lift force and the location of CE.
One of the possible alternatives of simulation-based time-dependent reliability assessment of pre-stressed biconcave and biconvex cable trusses, the Monte Carlo method, is applied in this paper. The influence of an excessive deflection of cable truss (caused by creep of cables and rheologic changes) on its time-dependent serviceability is investigated. Attention is given to the definition of the basic random variables and their statistical functions (basic, mutually dependent random variables such as the pre-stressing forces of the bottom and top cable, structural geometry, the Young's modulus of elasticity of the cables, and the independent variables, such as permanent load, wind, snow and thermal actions). Then, the determination of the response of the cable truss to the loading effects, and the definition of the limiting values considering serviceability of the structure are performed. The potential of the method, using direct Monte Carlo technique for simulation-based time-dependent reliability assessment as a powerful tool, is emphasized. Results obtained by the First order reliability method (FORM) are compared with those obtained by the Monte Carlo simulation technique.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.7
no.4
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pp.201-208
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2003
The Hybrid Wall System(HWS) building composed of center core reinforced concrete walls and exterior steel frame has open space around the center core walls. It is necessary to develop design methodologies for the HWS building that the coupled shear walls withstand the most of lateral load and expect the most energy dissipation at the coupling beams and at wall foots. Major factors considered in this paper are connection type of coupling beams and scale of story. The studies of the system are investigated in terms of shear force, overturning moment, maximum lateral displacement, story drift ratio, and dynamical characteristics under the action of vertical and lateral forces such as wind and seismic loads.
This study presents conceptual information of newly optimized shapes and connectivity of the so-called outrigger truss system for modern tall buildings that resists lateral loads induced by wind and earthquake forces. In practice, the outrigger truss consists of triangular or Vierendeel types to stiffen tall buildings, and the decision of outrigger design has been qualitatively achieved by only engineers' experience and intuition, including information of structural behaviors, although outrigger shapes and the member's connectivity absolutely affect building stiffness, the input of material, construction ability and so on. Therefore the design of outrigger trusses needs to be measured and determined according to scientific proofs like reliable optimal design tools. In this study, at first the shape and connectivity of an outrigger truss system are visually evaluated by using a conceptual design tool of the classical topology optimization method, and then are quantitatively investigated with respect to a structural safety as stiffness, an economical aspect as material quantity, and construction characteristics as the number of member connection. Numerical applications are studied to verify the effectiveness of the proposed design process to generate a new shape and connectivity of the outrigger for both static and dynamic responses.
Beam-column joints are highly vulnerable locations which are to be designed for high ductility in order to take care of unexpected lateral forces such as wind and earthquake. Previous investigations reveal that the addition of steel fibres to concrete improves its ductility significantly. Also, due to presence of slab the strength and ductility of the beam increases considerably and ignoring the effect of slab can lead to underestimation of beam capacity and defiance of strong column weak beam concept. The influence of addition of steel fibres on the strength and behaviour of steel fibre reinforced high performance concrete (SFRHPC) interior beam-column-slab joints was investigated experimentally. The specimens were subjected to reverse cyclic loading. The variable considered was the volume fraction of crimped steel fibres i.e., 0%, 0.5% and 1.0%. The results show that the addition of steel fibres improves the first crack load, strength, ductility, energy absorption capacity and initial stiffness of the beam.
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