To investigate the axial compressive performance of the recycled aggregate concrete (RAC) filled glass fiber reinforced polymer (GFRP) tube and profile steel composite columns, static loading tests were carried out on 18 specimens under axial loads in this study, including 7 RAC filled GFRP tube columns and 11 RAC filled GFRP tube-profile steel composite columns. The design parameters include recycled coarse aggregate (RCA) replacement percentage, profile steel ratio, slenderness ratio and RAC strength. The failure process, failure modes, axial stress-strain curves, strain development and axial bearing capacity of all specimens were mainly analyzed in detail. The experimental results show that the GFRP tube had strong restraint ability to RAC material and the profile steel could improve the axial compressive performance of the columns. The failure modes of the columns can be summarized as follow: the profile steel in the composite columns yielded first, then the internal RAC material was crushed, and finally the fiberglass of the external GFRP tube was seriously torn, resulting in the final failure of columns. The axial bearing capacity of the columns decreased with the increase of RCA replacement percentage and the maximum decreasing amplitude was 11.10%. In addition, the slenderness ratio had an adverse effect on the axial bearing capacity of the columns. However, the strength of the RAC material could effectively improve the axial bearing capacity of the columns, but their deformability decreased. In addition, the increasing profile steel ratio contributed to the axial compressive capacity of the composite columns. Based on the above analysis, a formula for calculating the bearing capacity of composite columns under axial compression load is proposed, and the adverse effects of slenderness ratio and RCA replacement percentage are considered.
This study investigated to the properties of structural behaviors through a series of experiment with the key parameter, such as diameter-to-thickness(D/t) ratio, selenderness ratio of steel t~ube and strength of concrete under loading condition simple confined concrete by steel tube as a fundmental study on adaptability with structural members in high-rise building. The obtained results are sumnarised as follow. (1) The fracture mode of confined concrete was presented digonal tension fracture in the direction of $45^{\circ}$ with compression failure at the end of specimen in stub column, but the fracture mode of long column was assumed an aspect of bending fracture transversely. (2) The deformation capacity and ductility effect was increased by confine steel tube for concrete. (3) 'The emprical formula to predict the ultimate capacity of confined concrete by steel tube and concrete filled steel tube column using restraint of concrete considered D / t ratio, selenderness ratio of steel tube anti strength of' concrete were proposed.
Experimental and analytical studies were conducted to clarify the influencing mechanisms of the longitudinal reinforcement on performance of axially loaded Reinforced Concrete-Filled Steel Tube (R-CFST) short columns. The longitudinal reinforcement ratio was set as parameter, and 10 R-CFST specimens with five different ratios and three Concrete-Filled Steel Tube (CFST) specimens for comparison were prepared and tested. Based on the test results, the failure modes, load transfer responses, peak load, stiffness, yield to strength ratio, ductility, fracture toughness, composite efficiency and stress state of steel tube were theoretically analyzed. To further examine, analytical investigations were then performed, material model for concrete core was proposed and verified against the test, and thereafter 36 model specimens with four different wall-thickness of steel tube, coupling with nine reinforcement ratios, were simulated. Finally, considering the experimental and analytical results, the prediction equations for ultimate load bearing capacity of R-CFSTs were modified from the equations of CFSTs given in codes, and a new equation which embeds the effect of reinforcement was proposed, and equations were validated against experimental data. The results indicate that longitudinal reinforcement significantly impacts the behavior of R-CFST as steel tube does; the proposed analytical model is effective and reasonable; proper ratios of longitudinal reinforcement enable the R-CFSTs obtain better balance between the performance and the construction cost, and the range for the proper ratios is recommended between 1.0% and 3.0%, regardless of wall-thickness of steel tube; the proposed equation is recommended for more accurate and stable prediction of the strength of R-CFSTs.
When steel tube as a column is filled with concrete, it is common that the load-bearing capacities of CFST(Concrete Filled Steel Tube) column are increased substantially, And the CFST column can obtain a capacity of fire resistance without any additional detail on the surface of the steel tube for fire protection. In order to clarify the behavior of CFST column during fire occurrence, a theoretical study is performed, that is, a thermal analysis is used to find temperature gradient dependent on the time on the steel tube and the infilled concrete. N-M (axial force-moment) interaction curves are summarized under the consideration for time dependent variation. The material properties of concrete and steel in accordance with a temperature variation are referred to the existing general data. Thermal transient analyses are performed by finite element method through ANSYS and then these results are verified by comparing with the existing test results. On the basis of analytical results, load-carrying capacities (N-M interaction curves) are calculated by numerical analysis method.
This paper presents an experimental and analytical study on the behavior of concrete-filled tubular stub columns concentrically loaded in compression to fail. Total eleven specimens were tested and test parameters are the depth-to-thickness ratios of steel tube and the ratio of concrete cylinder strength-to-yield stress of steel tube. Depth-to-thickness ratios of steel tube between 20.22
The paper describes the mechanical behavior of short concrete-filled steel tube (CFT) columns with circular section. The efficiency of the steel tube in confining the concrete core depending on concrete strength and the steel tube thickness was examined. Fifteen columns were tested to failure under concentric axial loading. Furthermore, a mechanical model based on the interaction between the concrete core and the steel tube was developed. The model employs a volumetric strain history for the concrete, characterized by the level of applied confining stress. The situation of passive confinement is accounted for by an incremental procedure, which continuously updates the confining stress. The post-yield behavior of the columns is greatly influenced by the confinement level and is related to the efficiency of the steel tube in confining the concrete core. It is possible to classify the post-yield behavior into three categories: strain softening, perfectly plastic and strain hardening behavior. The softening behavior, which is due to a shear plane failure in the concrete core, was found for some of the CFT columns with high-strength concrete. Nevertheless, with a CFT column, it is possible to use high-strength concrete to obtain higher load resistance and still achieve a good ductile behavior.
Yan, Wu T.;Han, Bing;Zhang, Jin Q.;Xie, Hui B.;Zhu, Li;Xue, Zhong J.
Steel and Composite Structures
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v.27
no.2
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pp.185-192
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2018
Fly ash can significantly improve concrete workability and performance, and recycling fly ash in concrete can contribute to a cleaner environment. Since fly ash influences pozzolanic reactions in concrete, mechanical behaviors of concrete containing fly ash differ from traditional concrete. Creep behaviors of fly ash concrete filled steel tube arch were experimentally investigated for 10% and 30% fly ash replacement. The axes of two arches are designed as circular arc with 2.1 m computed span, 0.24 m arch rise, and their cross-sections are all in circular section. Time dependent deflection and strain of loading and mid-span steel tube were measured, and long term deflection of the model arch with 10% fly ash replacement was significantly larger than with 30% replacement. Considering the steel tube strain, compressive zone height, cross section curvature, and internal force borne by the steel tube, the compressive zone height and structural internal forces increased gradually over time due to concrete creep. Increased fly ash content resulted in more significant neutral axis shift. Mechanisms for internal force effects on neutral axis height were analyzed and verified experimentally.
This paper aims to analytically investigate the effect of shear stress at the concrete-steel interface on the mechanical behavior of the circular steel tube-confined concrete (STCC) stub columns with active and passive confinement subjected to axial compression. Nonlinear 3D finite element models divided into the four groups, i.e. circumferential-grooved, talc-coated, lubricated, and normal groups, with active and passive confinement were developed. An innovative method was used to simulate the actively-confined specimens, and then, the results of the finite element models were compared with those of the experiments previously conducted by the authors. It was revealed that both the predicted peak compressive strength and stress-strain curves have good agreement with the corresponding values measured for the confined columns. Then, the mechanical properties of the active and passive specimens such as the concrete-steel interaction, longitudinal and hoop stresses of the steel tube, confining pressure applied to the concrete core, and compressive stress-strain curves were analyzed. Furthermore, a parametric study was performed to explore the effects of the concrete compressive strength, steel tube diameter-to-wall thickness ratio, and prestressing level on the compressive behavior of the STCC columns. The results indicate that reducing or removing the interfacial shear stress in the active and passive specimens leads to an increase in the hoop stress and confining pressure, while the longitudinal stress along the steel tube height experiences a decrease. Moreover, prestressing via the presented method is capable of improving the compressive behavior of STCC columns.
Concrete-filled steel tubes are among the most efficient compressive structural members because the strength of the concrete is enhanced given that the surrounding steel tube confines the concrete laterally and the steel tube is restrained with regard to inward deformation due to the concrete existing inside. Accurate estimations of the ultimate compressive strength of CFT are important for efficient designs of CFT members. In this study, an analytical procedure that directly formulates the interaction between the concrete and steel tube by considering the nonlinear Poisson effect and stress-strain curve of the concrete including the confinement effect is proposed. The failure stress of concrete and von-Mises failure yield criterion of steel were used to consider multi-dimensional stresses. To verify the prediction capabilities of the proposed analytical procedure, 99 circular CFT experimental data instances from other studies were used for a comparison with AISC, Eurocode 4, and other researchers' predictions. From the comparison, it was revealed that the proposed procedure more accurately predicted the ultimate compressive strength of a circular CFT regardless of the range of the design variables, in this case the concrete compressive strength, yield strength of the steel tube and diameter relative to the thickness ratio of the tube.
In order to investigate the flexural bearing capacity of panel zone of diaphragm-through joint between concrete filled square steel tubular column and steel beam, four specimens were tested under static tension loads to study the mechanical properties and bearing capacity of diaphragm-through joints with a failure mode of panel zone. Finite element models of these specimens were developed to simulate the test and compare the predicted failure modes, load-displacement curves and bearing capacities with the experimentally observed. It was found that the tensile load from the steel beam flange is mainly shared by the square steel tube and the diaphragm. The diaphragm plastic zone appears along the cross-section lines enclosed by the square steel tube and the influence of steel beam web on the plastic zone of the steel tube is significant and cannot be neglected. Computational models of yield lines on square steel tube and diaphragm are established based on the distribution pattern of the plastic zone, and an analytical method for the evaluation of the bearing capacity of the joint is proposed. The theoretical results and the experimental data are compared and found in good agreement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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