Development of Parametric Equations for Behavior Characteristics of Conventional Saddle-like Connections

Authors
Faculty ofTarbiat Modares University
Abstract
Saddle-like (Khorjeeni) connections are formed in steel frames, when the beams are not cut at their intersection with columns, and they by-pass the columns continuously and are connected to them using top and bottom angles. This type of connection provides some benefits, such as ease of construction and superior behavior under gravity loads, however it has some disadvantages that can cause significant damage to the structure when subjected to seismic loads. Past studies have shown that saddle-like connections can be classified as semi-rigid connections, but they do not have the ductility capacity observed in those types of semi-rigid connections, which have been recommended in various codes for seismic resistant design.
In recent years several researchers have tried to propose details for improving the behavior of Khorjeeni connections. However, in the process of seismic evaluation and rehabilitation for existing structures, in which the conventional type of Khorjeeni connections are used, it is necessary to have typical behavior curves and acceptance criteria for different levels of structural performance. The aim of this paper is to develop parametric equations for behavior characteristics of the conventional saddle like connections.
Experiments and finite element modeling have been conducted on fourteen different specimens of the connections. The details have been selected based on what are normally found in medium rise buildings in Iran. The beam height and the angle length vary in the specimens. Six specimens have been tested in laboratory and then modeled by finite elements. FE analysis has considered the crack initiation and propagation using a micromechanical model originally proposed for predicting crack initiation in ultra-low cycle fatigue, ULCF. ABAQUS multi-purpose software has been employed for this work. As the Finite Element modeling of tested saddle-like connections has proved to be successful in predicting the behavior of this type of connection, additional samples have been modeled and analyzed using FE models. Based on the results of experiments and FE modeling, backbone curves representing moment rotation behavior of the connections have been determined following the FEMA recommendations Characteristic parameters of the backbone curve have been identified as initial stiffness, yield moment, ultimate moment and ultimate rotation of the connection. Also the parameters affecting these characteristic values have been found to be beam depth, top angle size, top angle length, and bottom angle length . Finally, using the regression methods, some relationships have been proposed for each characteristic parameter of the backbone curves. A comparison of the experimental and numerical results and the results of parametric equations shows good accuracy. The differences in initial stiffness, yield moment and ultimate moment are less than 10 percent for majority of the specimens. The differences in ultimate rotation are also less than 15 percent in majority of the cases. The proposed equations in conjunction with FEMA recommendations for acceptance criteria can be used in seismic evaluation and rehabilitation of steel structures with saddle like connections.

Keywords


1-کرمی،رضا، خواص مکانیکی اتصالات خرجینی، رساله کارشناسی ارشد به راهنمایی دکترحسن مقدم، دانشگاه صنعتی شریف، ١٣٧٠.
2- طاحونی، شاپور، فرجودی، جمشید، گزارش مطالعه صلبیت اتصالات خرجینی، بنیاد مسکن انقلاب اسلامی، ١٣٧١.
3-حسینخانی، علی، اتصالات ‌خرجینی، رساله‌کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر علی اکبر آقاکوچک، دانشگاه آزاد واحد جنوب،١٣٧١.
4-فلاح، احمدعلی، آنالیز دینامیکی‌غیرخطی اتصالات خرجینی نیمه صلب تحت بارهای زلزله، رساله کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر محمد علی برخورداری، دانشگاه علم و صنعت ایران. ١٣٧٣
5- طریقت، امیر، مطالعه رفتار الاستیک اتصالات خرجینی، رساله کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر شاهرخ مالک، دانشگاه تهران، ١٣٧٣.
6- یعقوبی‌سرسختی، مجتبی، بررسی انواع اتصالات درقاب‌های فولای وارزیابی تجربی و تئوریک رفتار اتصالات موسوم به رکابی(خرجینی)، رساله کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر رضا رازانی، دانشگاه شیراز، ١٣٧٣.
7- ملکی، مهدی، بررسی عملکرد رفتار اتصالات خرجینی تحت بارهای دینامیکی، رساله کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر محسن تهرانی زاده، دانشگاه صنعتی امیرکبیر،١٣٧٢.
8- مزروعی، علی، مصطفایی، حسین، روش‌های بهسازی اتصالات خرجینی، دومین کارگاه تخصصی اتصالات خرجینی، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن،١٣٧٧.
9- صادقیان،پدرام، روشهای تحلیل وتقویت اتصالات خرجینی، رساله کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر حسن مقدم، دانشگاه صنعتی شریف،١٣٧٨.
10- دهقاتی رنانی، مهدی، بررسی نظری و تجربی اتصالات تیرهای خورجینی به ستون و ارائه جزئیات یک اتصال گیردار جدید، پایان‌نامه کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر میرقادری و دکتر مزروعی، دانشگاه تهران، 1379 .
 
11- مویدعلائی،علی، تقویت لرزه‌ای سازه‌ای اتصال خورجینی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر حسن مقدم ، دانشگاه صنعتی شریف، 1379.
12- فاضل،داود ،کاربرد شبکه‌های عصبی در منحنی لنگر- دوران اتصال خورجینی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر علی کاوه، دانشگاه علوم وفنون مازندران، 1378 .
13- وشکینی، قاسم، تعیین ضریب رفتار R برای قابهای دارای اتصال خورجینی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد به راهنمایی‌دکترعلی‌اکبر آقا کوچک، دانشگاه تربیت مدرس،1380.
14- پیرایه‌گر، شبیر، عملکرد لرزه‌ای اتصال لنگرگیر به ستون، پایان‌نامه کارشناسی ارشد به راهنمایی دکتر حسن مقدم، دانشگاه صنعتی شریف،1386.
15- نشریه شماره 360،دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود، معاونت امور فنی دفتر امور فنی، تدوین معیارها و کاهش خطرپذیری ناشی از زلزله.، 1385.
16-امیری حمیدرضا، آقاکوچک علی اکبر، "مطالعه آزمایشگاهی رفتار چرخه ای اتصالات خورجینی متداول و معیار های پذیرش آنها" سازه و فولاد، 9، 1390، 96-79.
17- 356.” NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of buildings”, building seismic safety council, Washington, D.C.,2000.
18-Aisc.“Seismic provisions for structural steel buildings”, American Institute of steel construction, Chicago, 2005.
19- Amiri H.R.  , Aghakouchak A.A.  , Shahbeyk S.  , Engelhardt M.D. Finite element simulation of ultra low cycle fatigue cracking in steel structures. Journal of Constructional Steel Research 2013;89: 175–184
20- ABAQUS. User’s manual, version 6.10,Hibbitt, Karlsson, and Sorensen, Inc.,2010, Providence, R.I.
21- Kanvinde AM, Deierlein GG. Cyclic Void Growth Model to Assess Ductile Fracture Initiation in Structural Steels due to Ultra Low Cycle Fatigue.  J. Engineering Mechanics 2007; 133( 6): 701-712.