Composite columns made of high strength materials have been used in high-rise construction owing to its excellent structural performance resulting in smaller cross-sectional sizes. However, due to the limited understanding of its structural response, current design codes do not allow the use of high strength materials beyond a certain strength limit. This paper reports additional test data, analytical and numerical studies leading to a new design method to predict the ultimate resistance of composite columns made of high strength steel and high strength concrete. Based on previous study on high strength concrete filled steel tubular members and ongoing work on high strength concrete encased steel columns, this paper provides new findings and presents the feasibility of using high strength steel and high strength concrete for general double symmetric composite columns. A nonlinear finite element model has been developed to capture the composite beam-column behavior. The Eurocode 4 approach of designing composite columns is examined by comparing the test data with results obtained from code's predictions and finite element analysis, from which the validities of the concrete confinement effect and plastic design method are discussed. Eurocode 4 method is found to overestimate the resistance of concrete encased composite columns when ultra-high strength steel is used. Finally, a strain compatibility method is proposed as a modification of existing Eurocode 4 method to give reasonable prediction of the ultimate strength of concrete encased beam-columns with steel strength up to 900 MPa and concrete strength up to 100 MPa.
This paper presents the results of an experimental study to investigate the mechanical behavior of partially encased composite columns confined by CFRP under axial compression. The results show that the failure of the partially encased composite columns confined by CFRP occurred due to rupture of the CFRP followed by local buckling of the steel flanges. External wrapping of CFRP effectively delayed the local buckling of the steel flanges. The load carrying capacity of the column increased with the application of CFRP sheet. And the enhancement effect of the column was increased with the number of CFRP layer.
Pereira, Margot F.;De Nardin, Silvana;El. Debs, Ana L.H.C.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.6
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pp.909-927
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2020
This paper addresses the results of an experimental study involving 10 partially encased composite columns under concentric and eccentric compressive loads. Parameters such as slenderness ratio, ordinary reinforced concrete and fiber reinforced concrete, load eccentricity and bending axis were investigated. The specimens were tested to investigate the effects of replacing the ordinary reinforced concrete by fiber reinforced concrete on the load capacity and behavior of short and slender composite columns. Various characteristics such as load capacity, axial strains behavior, stiffness, strains on steel and concrete and failure mode are discussed. The main conclusions that may be drawn from all the test results is that the behavior and ultimate load are rather sensitive to the slenderness of the columns and to the eccentricity of loading, specially the bending axis. Experimental results also indicate that replacing the ordinary reinforced concrete by steel fiber reinforced concrete has no considerable effects on the load capacity and behavior of the short and slender columns and the proposed replacement presented very good results.
8 steel reinforced concrete (SRC) columns with the encased steel ratio of 13.12% and 15.04% respectively were tested under the test axial load ratio of 0.33-0.80 and the low-frequency cyclic lateral loading. The cross sectional area of composite columns was $500mm{\times}500mm$. The mechanical properties, failure modes and deformabilities were studied. All the specimens produced flexure failure subject to combined axial force, bending moment and shear. Force-displacement hysteretic curves, strain curves of encased steels and rebars were obtained. The interaction behavior of encased steel and concrete were verified. The hysteretic curves of columns were plump in shapes. Hysteresis loops were almost coincident under the same levels of lateral loading, and bearing capacities did not change much, which indicated that the columns had good energy-dissipation performance and seismic capacity. Based on the equilibrium equation, the suggested practical calculation method could accurately predict the flexural strength of SRC columns with cross-shaped section encased steel. The obtained M-N curves of SRC columns can be used as references for further studies.
Jung In Keun;Min Jin;Shim Chang Su;Chung Young Soo
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.485-488
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2004
Steel encased composite columns have been used for buildings and piers of bridges. Since column section for pier is relatively larger than that of building columns, economical steel ratio need to be investigated for the required performance. Composite action between concrete and embedded steel sections can be obtained by bonding and friction. However, the behavior. of the column depends on the load introduction mechanism. Compression can be applied to concrete section, steel section and composite section. In this paper, experiments on shear strength of the steel encased composite column were performed to study the effect of confinement by transverse reinforcements, mechanical interlock by holes, and shear connectors. Shear strength obtained from the tests showed considerably higher than the design value. Confinement, mechanical interlock and stud connectors increased the shear strength and these values can be used effectively to obtain composite action of SRC columns.
This paper reports an experimental investigation of the behaviour of concrete-encased composite columns subjected to short-term axial load and biaxial bending. In the study, six square and four L-shaped cross section of both short and slender composite column specimens were constructed and tested to examine the load-deflection behaviour and to obtain load carrying capacities. The main variables in the tests were considered as eccentricity of applied axial load, concrete compressive strength, cross section, and slenderness effect. A theoretical procedure considering the nonlinear behaviour of the materials is proposed for determination of the behaviour of eccentrically loaded short and slender composite columns. Two approaches are taken into account to describe the flexural rigidity (EI) used in the analysis of slender composite columns. Observed failure mode and experimental and theoretical load-deflection behaviour of the specimens are presented in the paper. The composite column specimens and also some composite columns available in the literature have been analysed and found to be in good agreement with the test results.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.05a
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pp.439-442
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2005
Steel encased composite columns are widely used due to their excellent structural performance in terms of stiffness, strength, and ductility. However, these columns were usually utilized for building structures and had higher steel ratio for small sections. For bridge pier applications, it is necessary to design the SRC columns having low steel ratio, which is nearly the same steel ratio as the normal RC columns. In this study, the evaluation of the composite columns with a core steel in term of the stiffness and the strength was investigated using experimental results. The effects of the steel ratio was also estimated using design provisions. The calculation of steel encased composite columns with multiple steel sections were performed and compared with RC columns.
This paper tested 11 concrete-encased concrete-filled steel tube (CFST) composite columns and one reinforced concrete column under combined axial compression and lateral loads. The primary parameters, including the loading system, axial compression ratio, volume stirrup ratio, diameter-to-thickness ratio of the steel tube, and stirrup form, were varied. The influence of the parameters on the failure mode, strength, ductility, energy dissipation, strength degradation, and damage evolution of the composite columns were revealed. Moreover, a two-parameter nonlinear seismic damage model for composite columns was established, which can reflect the degree and development process of the seismic damage. In addition, the relationships among the inter-story drift ratio, damage index and seismic performance level of composite columns were established to provide a theoretical basis for seismic performance design and damage assessments.
This paper presents a detailed parametric study, conducted using finite element tools to cover a range of several geometric and material parameters, on the behaviour of thin-walled partially encased composite (PEC) columns. The PEC columns studied herein are composed of thin-walled built-up H-shaped steel sections with concrete infill cast between the flanges. Transverse links are provided between the opposing flanges to improve resistance to local buckling. The parametric study is confined to eccentrically-loaded columns subjected to major axis bending only. The parameters that were varied include the overall column slenderness ratio (L/d), load eccentricity ratio (e/d), link spacing-to-depth ratio (s/d), flange plate slenderness ratio (b/t) and concrete compressive strength ($f_{cu}$). The overall column slenderness ratio was chosen to be the primary variable with values of 5, 10 and 15. Other parameters were varied within each case of L/d ratio. The effects of the selected parameters on the behaviour of PEC columns were studied with respect to the failure mode, peak axial load, axial load versus average axial strain response, axial load versus lateral displacement response, moment versus lateral displacement behaviour and the axial load-moment interaction diagram. The results of the parametric study are presented in the paper and the influences of each of the parameters investigated are discussed.
In the construction industry, composite structures have revolutionized traditional design principles, opening innovative possibilities. The Concrete Encased - Concrete Filled Steel Tubular (CE-CFST) column stands out as a distinctive composite structure, offering structural stability and resilience for various engineering applications. Comprising Reinforced Concrete (RC) and Concrete Filled Steel Tubular (CFST) components, CE-CFST columns are valued for their inherent properties, including ductility and rigidity, CE-CFST is commonly used in the construction of bridges, high-rise buildings, and more. This article aims to provide a concise overview of the evolutionary development of CE-CFST columns and their performance in structural applications. Through a comprehensive review, the study delves into the behaviour of CE-CFST columns under different scenarios. It examines the influences of key parameters such as size, infills, cross section, failure causes, and design codes on the performance of CE-CFST columns, highlighting their enhanced functionality and future potential. Moreover, the review meticulously examines previous applications of CE-CFST columns, offering insights into their practical implementation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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