Generally, a box tube, which is used for an existing square CFT structure, is made by welding four plates. The manufacturing efficiency of this steel tube is poor, and it also needs special welding technology to weld its internal diaphragm and the through diaphragm. Therefore, an interior-anchor-type square steel tube was developed using the method of cold-forming thin plates to prevent welding of the stress concentration position, and to maximize the section efficiency. And, considering of the flow of beam flange load, the efficiency of erection and the weldability of the diaphragm to thin walled steel column, the external diaphragm connection was selected as the suitable type for the welded built-up square CFT column to beam connection. And, an analytical study and tests were conducted to evaluate the structural performance of the suggested connection details and to verify the suggested equations for the connection details. Through this study, the composite effect of the internal anchor to concrete, the resistance and stress distribution of the connections before and after the existing column is welded to the beam, the effective location of welding in connection were analyzed.
Most of the portal frames are designed these days by the application of plastic analysis, with the normal assumption being made that the column bases are pinned. However, the couple produced by the compression action of the inner column flange and the tension in the holding down bolts will inevitably generate some moment resistance and rotational stiffness. Full-scale portal frame tests conducted during a previous research program had suggested that this moment can be as much as 20% of the moment of resistance of the column. The size of this moment of resistance is particularly important for the design of the tensile capacity of the holding down bolts and also the bearing resistance of the foundation. The present research program is aiming at defining this moment of resistance in simple design terms so that it could be included in the design of the frame. The investigation also included the study of the semi-rigid behaviour of the column base/foundation, which, to a certain extent, affects the overall loading capacity and stiffness of the portal frames. A series of column bases with various details were tested and were used to calibrate a finite element model which is able to simulate the action of the holding down bolts, the effect of the concrete foundation and the deformation of the base plate.
The composite beam adopted in the study was designed to reduce the floor height as well as to embed the top flange of steel frame into the slab that will enable to avoid applying the fire-resistant coating and to unify the joint method with a steel frame-type. As the steel frame and bottom concrete of the beam is pre-fabricated at the factory it could reduce the overall schedule at the jobsite. Applying such composite beam system to the work is expected to provide the efficient and enhanced performance, given the current tendency of the building construction that tends to be getting higher, larger and dense. The study focused on combining the composite beam with various column systems in a bid to propose the details thereof. A desirable composite girder can be adopted depending on site conditions through the evaluation of various beam and jointing approaches. Among the column systems applied to the study are steel column, SRC column, RC-PC column and RC column. The ways of combining with the columns addressed in the study were categorized into the rigid joint, pin joint, steel frame joint and bracket type joint. Besides, the instruction for site fabrication of beam-column was added in an effort to help set up the site fabrication procedures.
In this paper, four specimens of CFST column joints with endplates and long bolts are tested in the scenario of progressive collapse. Flush endplate and extended endplate are both adopted in this study. The experimental results show that increasing the thickness of the endplate could improve the behavior of the joint, but delay the mobilization of catenary action. The thickness of the endplate should not be relatively thick in comparison to the diameter of the bolts, otherwise catenary action would not be mobilized or work effectively. Effective bending deformation of the endplate could help the formation and development of catenary action in the joints. The performance of flexural action in the joint would affect the formation of catenary action in the joint. Extra middle-row bolts set at the endplates and structural components set below the bottom beam flange should be used to enhance the robustness of joints. A special weld access hole between beam and endplate should be adopted to mitigate the chain damage potential of welds. It is suggested that the structural components of joints should be independent of each other to enhance the robustness of joints. Based on the component method, a formula calculating the stiffness coefficient of preloaded long bolts was proposed whose results matched well with the experimental results.
Sangwook Park;Patricia Clayton;Todd A. Helwig;Michael D. Engelhardt;Eric B. Williamson
Steel and Composite Structures
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v.51
no.5
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pp.563-573
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2024
This research experimentally evaluated the local stress distribution along the cross-section of composite beams under both positive and negative moments. The experiment utilized a large-scale, two-story, two-by-three bay steel gravity frame with a concrete on metal deck floor system. The composite shear connections, which are nominally assumed to be pinned under gravity loading, can develop non-negligible moment-resisting capacity when subjected to lateral loads. This paper discusses the local stress distribution, orshear lag effects, observed near the beam-to-column connections when subjected to combined gravity and lateral loading. Strain gauges were used for measurements along the beam depth at varying distances from the connection. The experimental data showed amplified shear lag effects near the unconnected region of the beam web and bottom flange under the applied loading conditions. These results indicate that strain does not vary linearly across the beam cross-section adjacent to the connection components. This insight has implications for the use of experimental strain gauge data in estimating beam demands near the connections. These findings can be beneficial in informing instrumentation plans for future experimental studies on composite beams.
Park, Nam Hoi;Kang, Young Jong;Lee, Man Seop;Go, Seok Bong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.15
no.3
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pp.321-329
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2003
To effectively use the cross section of concrete decks, analytical and experimental studies on prestressed steel-box-girder bridges were performed in this study. The method of applying prestress was determined in the analytical study and the longitudinal behavior of the prestressed steel-box-girder bridge was considered in the experimental study. The object model for these studies was a two-span continuous bridge. The method of applying prestress determined herein was divided into two parts: one is that apply prestress to the concrete deck at its intermediate support, and the other is that apply prestress to the lower flange of the steel-box-girder bridge at its end support. The prototype bridge for the experiment was simulated based on the rule of similitude and was fabricated according to construction steps to apply prestress effectively. From the results of the experimental study, it has demonstrated that the prestressed steel-box-girder bridge provides better performance than the general steel-box-girder bridge in view of the increase of the design live load, the reduction of the tensile stress of the concrete deck at intermediate support, and the reduction of the displacement.
The lifting and lowering supports method makes up for the weak points in the classical method and provides makes construction economical effect to construction. The application of pre-compression to continuous steel box girder bridges makes it possible to reduce the amount of steel, the height of girders and consequently, the cost consequentlyof the bridges' construction by through the process of concrete filling- up and the lifting-lowering of the inner supports. The lifting and lowering supports method is apt to cause local buckling in the lower flange and web plates by due to the process of the lifting of the inner supports. Therefore iln this study, therefore, the possibility of local buckling could be decreased, in consideration of the lifting force and the buckling strength of stiffened plates, by increasing the number of longitudinal stiffeners and the installation of extended longitudinal stiffeners on the lower flange and the web plates in the range of positive moment.
There were already several studies conducted on the steel-concrete (SC) composite column, which was developedcomplement the weaknesses and maintain the advantages of previous composite columns. The axial compressive capacity of the SC composite column was estimated by the tests in previous studies, but the experiments for the large-scale column could not be performed because of the limitation with the laboratory's capacity. In this study, the analytical study was performed using the general finite element analysis program to reflect the interaction of concrete and steel and the local buckling of steel flange composed of the non-compact section. The appropriateness of the analytical model was verified by the comparison between experimental and analytical results. The nonlinear behavior of full-scale SC composite column was analyzed using the verified analytical model. From these analytical studies, it was concluded that the width-to-thickness ratio of the steel cross-section of the SC composite column should not exceed 25:0. The section area of the link is best when it is over 0.025 dt, and the link distance is to be less than D/2 or 300mm.
Two full scale precast pretensioned dapped ended rectangular beams designed by PCI design handbook for a major domestic live load of market and parking building - 500kgf/㎡ and 1,200kgf/㎡ were investigated experimentally. The bottom length of beams was 60cm which was same to the length of rectangular column in the base of five-story market or parking buildings. The height of dap was web hight plus half of the flange height within the allowable limit of PCI method. Shear tests were performed on four beam ends. Followings were obtained from the experimental study. All of the specimens were fully complied with the PCI design handbook. Two of four specimens which were designed for live load of 1,200kgf/㎡ showed crackings at the re-entrant corner of dap before the full service loadings, and failed by direct shear at the load level much less than their calculated nominal strength. The specimens designed for live load of 1,200kgf/㎡ failed at 772 tonf and 78.36tonf by direct shear crackings. This strength was less than PCI limit of 81.9 tonf and higher than ACI limit of 65.62tonf. Thus, the limit suggested by ACI seems more reasonable in regard of safety in view of this test results. According to load-strain curves, the strain of hanger reinforcement reached almost yield strain. It is recommended to use more inclined hanger reinforcement of improve the strength and serviceability.
A theoretical research project is undertaken to develop integrated analysis and design tools for long span composite beams in modern high-rise buildings, and it aims to develop non-linear finite element models for practical design of composite beams. As the first paper in the series, this paper presents the development study as well as the calibration exercise of the proposed finite element models for simply supported composite beams. Other practical issues such as continuous composite beams, the provision of web openings for passage of building services, the partial continuity offered by the connections to columns as well as the behaviour of both unprotected and protected composite beams under fires will be reported separately. In this paper, details of the finite elements and the material models for both steel and reinforced concrete are first described, and finite element studies of composite beams with full details of test data are then presented. It should be noted that in the proposed finite element models, both steel beams and concrete slabs are modelled with two dimensional plane stress elements whose widths are assigned to be equal to the widths of concrete flanges, and the flange widths and the web thicknesses of steel beams as appropriate. Moreover, each shear connector is modelled with one horizontal spring and one vertical spring to simulate its longitudinal shear and pull-out actions based on measured load-slippage curves of push-out tests of shear connectors. The numerical results are then carefully analyzed and compared with the corresponding test results in terms of load mid-span deflection curves as well as load end-slippage curves. Other deformation characteristics of the composite beams such as stress and strain distributions across the composite cross-sections as well as distributions of shear forces and slippages in shear connectors along the beam spans are also examined in details. It is shown that the numerical results of the composite beams compare well with the test data in terms of various load-deformation characteristics along the entire deformation ranges. Hence, the proposed analysis and design tools are considered to be simple and yet effective for composite beams with practical geometrical dimensions and arrangements. Structural engineers are strongly encouraged to employ the models in their practical work to exploit the full advantages offered by composite construction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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