Currently, there is a lack of research in the design approach to avoid column wall failure in the concrete filled double skin steel tubular (CFDST) column-beam connections. In this paper, a finite element model has been developed and verified by available experimental data to analyze the failure mechanism of CFDST column-beam connections. Various finite element models with different column hollow ratios (χ) were established. The simulation result revealed that with increasing χ the failure mode gradually changed from yielding of end plate, to local failure of the column wall. Detailed parametric analyses were performed to study the failure mechanism of column wall for the CFDST column-beam connection, in which the strength of sandwiched concrete and steel tube and thickness of steel tube were incorporated. An analytical model was proposed to predict the moment resistance of the assembled connection considering the failure of column wall. The simulation results indicate that the proposed analytical model can provided a conservative prediction of the moment resistance. Finally, an upper bound value of χ was recommend to avoid column wall failure for CFDST column-beam connections.
Concrete filled steel tube column has a large load carrying capacity through its steel and concrete interaction which makes it useful in construction. However, it has not been used often in a practical construction field. This is partly due to the non-destructive inspection method for concrete filling which has yet to be established. Furthermore, there are the lack of test data and a practical method in evaluating the ultimate load carrying capacity of concrete filled steel tube column. This paper will attempt to predict the ultimate strength of short concrete filled square tubular steel columns through conducting several tests. To accumulate the new test data on concrete filled steel tube columns, a total of 42 specimens of steel tubular columns were monotonically tested under concentric axial force, having the slenderness ratio(${\lambda}=10,\;15,\;20$), width-thickness ratio(d/t=25.0, 33.3) and concrete strengths($F_{c}=210,\;240,\;270kg/cm^{2}$). The hollow sections and concrete filled steel columns were compared to check the lateral confinded effects by steel tube. Through these test results, we propose a coefficient k=3.64 for the strength evaluation formula(10) of concrte filled tubular steel short columns.
Kim, Jin-Cheol;Kim, Hoon;Park, Yon-Dong;Choi, Jin-Man;Lee, Deok-Chan;Lee, Do-Heon
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1996.04a
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pp.101-106
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1996
In this study, filling performance of concrete is investigated experimentally for the developmenmt of the concrete to be used in concrete filled steel tubular columns with inner diaphrams. Water-cement ratio with 3 levels, unit water contents with 5 levels, unit coarse aggregate contents with 5 levels, and slump flow with 3 levels are selected for test variables. For the estimation of the filling properties of the concrete, slump flow, V-type funnel time, U-type box height are measured and compared. A device which simulates the steel tubular column is designed and three kinds of concrete are tested with it. As the results, the filling performance is decreased with increasing coarse aggregate content. And, within the scope of this study, concretes with coarse aggregate content less than 880 kg/$\textrm{m}^3$ show good filling performance. To prevent excessive settlement of the concrete pumped into the steel tubular column, slump flow should be controlled within the limited range.
The expediency of using tubular composite steel and concrete columns of annular cross-sections in construction is discussed. The new type space framework with tubular composite columns of multi-storey buildings and its rigid beam-column joints are demonstrated. The features of interaction between the circular steel tube and spun concrete stress-strain states during the concentrical and eccentrical loading of tubular composite members are considered. The modeling of the bearing capacity of beam-columns of composite annular cross-sections is based on the concepts of bending with a concentrical force and compression with a bending moment. The comparison of modeling results for the composite cross-sections of beam-columns is analysed. The expediency of using these concepts for the limit state verification of beam-columns in the methods of the partial safety factors design (PSFD) legitimated in Europe and the load and resistance factors design (LRFD) used in other countries is presented and illustrated by a numerical example.
In this study, the bearing pressure distribution and design method of rectangular steel tubular column base plates under concentric loading were investigated. In general, the size and thickness of the baseplate are determined with the assumption that the bearing pressure of the column baseplate is uniformly distributed. When the column is loaded lightly, however, the size of the baseplate becomes smaller, the thickness becomes thinner and the bearing pressure of the baseplate is not distributed evenly. In this study, the distribution of the bearing pressure was investigated using the experimental and analytical methods. Four test specimens of the rectangular steel column baseplate were fabricated and tested. The analysis of the specimens was done using the finite element analysis program ANSYS. The result was that it was appropriate to use the effective width method to design the lightly loaded column baseplate, because the bearing pressure was not distributed evenly and was only concentrated under the column section.
Park, Sung-Moo;Kim, Sung-Su;Kim, Won-Ho;Lee, Hyung-Seok
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.2
no.2
s.4
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pp.51-58
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2002
This paper is presented an experimental studies on bond stress between steel and concrete in concrete filled steel tubes. In the actual building frames, vertical dead and live loads on beams are usually transferred to columns by beam-to-column connections. In case when concrete filled steel tubes are used as columns of an actual building frame which has a simple connection, shear forces in the beam ends are not directly transferred to the concrete core but directly to the steel tube. Provided that the bond effect between steel tube and concrete core should not be expected, none of the end shear in the beams would be transferred to the concrete core but only to the steel tube. Therefore, it is important to investigate the bond strength between steel tube and concrete core in the absence of shear connectors.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.3
no.3
s.9
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pp.105-110
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2003
This paper is presented an experimental studies on bond stress between steel and concrete in concrete filled Rectangular steel tubes. In the actual building frames, vertical dead and live loads on beams are usually transferred to columns by beam-to-column connections. In case when concrete filled steel tubes are used as columns of an actual building frame which has a simple connection, shear forces in the beam ends are not directly transferred to the concrete core but directly to the steel tube. Provided that the bond effect between steel tube and concrete core should not be expected, none of the end shear in the beams would be transferred to the concrete core but only to the steel tube. Therefore, it is important to investigate the bond strength between steel tube and concrete core in the absence of shear connectors.
Semi-rigid connections with blind bolts could solve the difficulty that traditional high strength bolts were unavailable to splice a steel/composite beam to a closed section column. However, insufficient investigations have focused on the performance of semi-rigid connection to square concrete filled double-skin steel tubular (CFDST) columns. In this paper, a component model was developed to evaluate the mechanical behavior of semi-rigid composite connections to CFDST columns considering the stiffness and strength of column face in compression and column web in shear which were determined by the load transfer mechanism and superstition method. Then, experimental investigations on blind bolted composite joints to square CFDST columns were conducted to validate the accuracy of the component model. Dominant failure modes of the connections were analyzed and this type of joint behaved semi-rigid manner. More importantly, strain responses of CFDST column web and tubes verified that stiffness and strength of column face in compression and column web in shear significantly affected the connection mechanical behavior owing to the hollow part of the cross-section for CFDST column. The experimental and analytical results showed that the CFDST column to steel-concrete composite beam semi-rigid joints could be employed for the assembled structures in high intensity seismic regions.
This study aims to present a three dimensional finite element model to investigate the wave propagation in a concrete filled steel tubular column (CFSC) due to transient impact load. Both the concrete and steel are regarded as linear elastic material. The impact load is simulated by a semi sinusoidal impulse. Besides the CFSC models, a concrete column (CC) model is established for comparing under the same loading condition. The propagation characteristics of the transient waves in CFSC are analyzed in detail. The results show that at the intial stage of the wave propagation, the velocity waves in CFSC are almost the same as those in CC before they arrive at the steel tube. When the waves reach the column side, the velocity responses of CFSC are different from those of CC and the difference is more and more obvious as the waves travel down along the column shaft. The travel distance of the wave front in CFSC is farther than that in CC at the same time. For different wave speeds in steel and concrete material, the wave front in CFSC presents an arch shape, the apex of which locates at the center of the column. Differently, the wave front in CC presents a plane surface. Three dimensional effects on top of CFSC are obvious, therefore, the peak value and arrival time of incident wave crests have great difference at different locations in the radial direction. High-frequency waves on the waveforms are observed. The time difference between incident and reflected wave peaks decreases significantly with r/R when r/R < 0.6, however, it almost keeps constant when $r/R{\geq}0.6$. The time duration between incident and reflected waves calculated by 3D FEM is approximately equal to that calculated by 1D wave theory when r/R is about 2/3.
The purpose of this study is to examine the utility of concretefilled steel tubular column to H-beam connections with tubular stiffener. As a preliminary step. a tensile experiment was undertaken to scrutinize characteristics of the structural behavior that take place between beam flanges and column with tubular stiffener. A total of 4 types of experimental settings were developed as tabular stiffeners are made up 9, 18, and 27 mm of thickness and 50 and 80 mm of height respetively Along with the overall load subsequently the degree of displacement and strain were recorded. Based on the yield line theory results of this of this study were evaluated and further critically reviewed the applicability of the strength formula. This study found that collapse mechanism was emerged on the beam flange as reinforcing tabular stiffeners Complementary studies of this sort, including numerical analyses should be undertaken in order to develope specific design critera.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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