Tapered concrete filled double skin steel tubular (CFDST) columns have been used in China for structures such as electricity transmission towers. In practice, the bearing capacity related to the connection details on the top of the column is not fully understood. In this paper, the experimental behaviour of tapered CFDST stub columns subjected to axial partial compression is reported, sixteen specimens with top endplate and ten specimens without top endplate were tested. The test parameters included: (1) tapered angle, (2) top endplate thickness, and (3) partial compression area ratio. Test results show that the tapered CFDST stub columns under axial partial compression behaved in a ductile manner. The axial partial compressive behaviour and the failure modes of the tapered CFDST stub columns were significantly influenced by the parameters investigated. Finally, a simple formula for predicting the cross-sectional capacity of the tapered CFDST sections under axial partial compression is proposed.
Abd El Fattah, Ahmed M.;Rasheed, Hayder A.;Al-Rahmani, Ahmed H.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.11
no.1
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pp.135-149
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2017
The prediction of the actual ultimate capacity of confined concrete columns requires partial confinement utilization under eccentric loading. This is attributed to the reduction in compression zone compared to columns under pure axial compression. Modern codes and standards are introducing the need to perform extreme event analysis under static loads. There has been a number of studies that focused on the analysis and testing of concentric columns. On the other hand, the augmentation of compressive strength due to partial confinement has not been treated before. The higher eccentricity causes smaller confined concrete region in compression yielding smaller increase in strength of concrete. Accordingly, the ultimate eccentric confined strength is gradually reduced from the fully confined value $f_{cc}$ (at zero eccentricity) to the unconfined value $f^{\prime}_c$ (at infinite eccentricity) as a function of the ratio of compression area to total area of each eccentricity. This approach is used to implement an adaptive Mander model for analyzing eccentrically loaded columns. Generalization of the 3D moment of area approach is implemented based on proportional loading, fiber model and the secant stiffness approach, in an incremental-iterative numerical procedure to achieve the equilibrium path of $P-{\varepsilon}$ and $M-{\varphi}$ response up to failure. This numerical analysis is adapted to assess the confining effect in rectangular columns confined with conventional lateral steel. This analysis is validated against experimental data found in the literature showing good correlation to the partial confinement model while rendering the full confinement treatment unsafe.
This paper presents the axial compression behavior of partially encased composite (PEC) columns using H-shaped structural steel. In the experimental program, a total of eight PEC columns with H-shaped steel sections of different flange and web slenderness ratios were tested to investigate the interactive mechanism between steel and concrete. The test results showed that the PEC columns could sustain the load well beyond the peak load provided that the flange slenderness ratio was not greater than five. In addition, the previous analytical model was extended to predict the axial load-strain relationships of the PEC columns with H-shaped steel sections. A good agreement between the predicted load-strain relationships and test data was observed. Using the analytical model, the effects of compressive strength of concrete (21 to 69 MPa), yield strength of steel (245 to 525 MPa), slenderness ratio of flange (4 to 10), and slenderness ratio of web (10 to 25) on the interactive mechanism (Kh = confinement factor for highly confined concrete and Kw = reduction factor for steel web) and ductility index (DI = ratio between strain at peak load and strain at proportional load) were assessed. The numerical results showed that the slenderness of steel flange and yield strength of steel significantly influenced the compression behavior of the PEC columns.
Geopolymer concrete (GC) can be competently utilized as a practical replacement for cement to prevent a high carbon footprint and to give a direction toward sustainable concrete construction. Moreover, previous studies mostly focused on the axial response of glass fiber reinforced polymer (glass-FRP) concrete compressive elements without determining the effectiveness of repairing them after their partial damage. The goal of this study is to assess the structural effectiveness of partially damaged GC columns that have been restored using carbon fiber reinforced polymer (carbon-FRP). Bars made of glass-FRP and helix made of glass-FRP are used to reinforce these columns. For comparative study, six of the twelve circular specimens-each measuring 300 mm×1200 mm-are reinforced with steel bars, while the other four are axially strengthened using glass-FRP bars (referred to as GSG columns). The broken columns are repaired and strengthened using carbon-FRP sheets after the specimens have been subjected to concentric and eccentric compression until a 30% loss in axial strength is attained in the post-peak phase. The study investigates the effects of various variables on important response metrics like axial strength, axial deflection, load-deflection response, stiffness index, strength index, ductility index, and damage response. These variables include concentric and eccentric compression, helix pitch, steel bars, carbon-FRP wrapping, and glass-FRP bars. Both before and after the quick repair process, these metrics are evaluated. The results of the investigation show that the axial strengths of the reconstructed SSG and GSG columns are, respectively, 15.3% and 20.9% higher than those of their original counterparts. In addition, compared to their SSG counterparts, the repaired GSG samples exhibit an improvement in average ductility indices of 2.92% and a drop in average stiffness indices of 3.2%.
Turbo-pump system, an essential component of liquid rockets and induced weapons, adopts a partial admission axial turbine which drives pump. And the turbine of a turbo-pump system is usually operated at supersonic condition due to its high loading chracteristics. Therefore, reseaches about flow and performance characteristics of a partial admission supersonic turbine must be preceeded to progress the aerospace and defense industries as well as the development of turbo-pump systems. In this study, flow characterisitics within blades of the partial admission supersonic turbine are numerically investigated by using Fine Turbo, a commercial CFD Code. Before performing the numercial analyses, to verify accuracy of the numerical result computed by Fine Turbo, I performed the comparison between the numerical results with J.J.Cho' experimental results. It is found that the numerical results show good agreement with the experimental results. Computations about the partial admission supersonic turbine have been performed to investigate flow characteristics including shock patterns. It is also found that the flow and performance of partial admission supersonic turbine are largely depend on shocks ocurred in the nozzle and at the leading edge of blades, expansion or compression at exit of nozzle and separations occurred in passage.
In structural engineering practice, understanding the performance of composite columns under extreme loading conditions such as high-rise bulding, long span and heavy loads is essential to accuratly predicting of material responses under severe loads such as fires or earthquakes. Hitherto, the combined effect of partial axial loads and subsequent elevated temperatures on the performance of hollow steel column filled fly ash concrete have not been widely investigated. Comprehensive test was carried out to investigate the effect of elevated temperatures on partial axially loaded square hollow steel column filled fly ash concrete as reported in this paper. Four batches of hollow steel column filled fly ash concrete ( 30 percent replacement of fly ash), (HySC) and normal concrete (CFHS) were subjected to four different load levels, nf of 20%, 30%, 40% and 50% based on ultimate column strength. Subsequently, all batches of the partially damage composite columns were exposed to transient elevated temperature up to 250℃, 450℃ and 650℃ for one hour. The overall stress - strain relationship for both types of composited columns with different concrete fillers were presented for each different partial load levels and elevated temperature exposure. Results show that CFHS column has better performance than HySC at ambient temperature with 1.03 relative difference. However, the residual ultimate compressive strength of HySC subjected to partial axial load and elevated temperature exposure present an improvement compared to CFHS column with percentage difference in range 1.9% to 18.3%. Most of HySC and CFHS column specimens failed due to local buckling at the top and middle section of the column caused by concrete crushing. The columns failed due to global buckling after prolong compression load. After the compression load was lengthened, the columns were found to fail due to global buckling except for HySC02.
This paper presents the semi-analytical development of the dynamic instability behavior and the dynamic response of functionally graded (FG) cylindrical shallow shell panel subjected to different type of periodic axial compression. First, in prebuckling analysis, the stresses distribution within the panels are determined for respective loading type and these stresses are used to study the dynamic instability behavior and the dynamic response. The prebuckling stresses within the shell panel are the same as applied in-plane edge loading for the case of uniform and linearly varying loadings. However, this is not true for the case of parabolic loadings. The parabolic edge loading produces all the stresses (${\sigma}_{xx}$, ${\sigma}_{yy}$ and ${\tau}_{xy}$) within the FG cylindrical panel. These stresses are evaluated by minimizing the membrane energy via Ritz method. Using these stresses the partial differential equations of FG cylindrical panel are formulated by applying Hamilton's principal assuming higher order shear deformation theory (HSDT) and von-$K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ non-linearity. The non-linear governing partial differential equations are converted into a set of Mathieu-Hill equations via Galerkin's method. Bolotin method is adopted to trace the boundaries of instability regions. The linear and non-linear dynamic responses in stable and unstable region are plotted to know the characteristics of instability regions of FG cylindrical panel. Moreover, the non-linear frequency-amplitude responses are obtained using Incremental Harmonic Balance (IHB) method.
This paper presents the experimental results of flexural and compression steel members strengthened with carbon fiber reinforced polymers (CFRP) sheets. In the flexural test, the five specimens were fabricated and the test parameters were the number of CFRP ply and the ratio of partial-length bonded CFRP sheets of specimen. The CFRP sheet strengthened steel beam had failure mode: CFRP sheet rupture at the mid span of steel beams. A maximum increase of 11.3% was achieved depending on the number of CFRP sheet ply and the length of CFRP sheet. In the compression test, the nine specimens were fabricated and the main parameters were: width-thickness ratio (b/t), the number of CFRP ply, and the length of the specimen. From the tests, for short columns it was observed that two sides would typically buckle outward and the other two sides would buckle inward. Also, for long columns, overall buckling was observed. A maximum increase of 57% was achieved in axial-load capacity when 3 layers of CFRP were used to wrap HSS columns of b/t = 60 transversely.
El-Kholy, Ahmed M.;Osman, Ahmed O.;EL-Sayed, Alaa A.
Computers and Concrete
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v.29
no.4
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pp.219-235
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2022
Strengthening slender reinforced concrete (RC) columns is a challenge. They are susceptible to overall buckling that induces bending moment and axial compression. This study presents the precise three-dimensional finite element modeling of slender RC columns strengthened with fiber-reinforced polymer (FRP) composites sheets with various patterns under concentric or eccentric compression. The slenderness ratio λ (height/width ratio) of the studied columns ranged from 15 to 35. First, to determine the optimal modeling procedure, nine alternative nonlinear finite element models were presented to simulate the experimental behavior of seven FRP-strengthened slender RC columns under eccentric compression. The models simulated concrete behavior under compression and tension, FRP laminate sheets with different fiber orientations, crack propagation, FRP-concrete interface, and eccentric compression. Then, the validated modeling procedure was applied to simulate 58 FRP-strengthened slender RC columns under compression with minor eccentricity to represent the inevitable geometric imperfections. The simulated columns showed two cross sections (square and rectangular), variable λ values (15, 22, and 35), and four strengthening patterns for FRP sheet layers (hoop H, longitudinal L, partial longitudinal Lw, and longitudinal coupled with hoop LH). For λ=15-22, pattern L showed the highest strengthening effectiveness, pattern Lw showed brittle failure, steel reinforcement bars exhibited compressive yielding, ties exhibited tensile yielding, and concrete failed under compression. For λ>22, pattern Lw outperformed pattern L in terms of the strengthening effectiveness relative to equivalent weight of FRP layers, steel reinforcement bars exhibited crossover tensile strain, and concrete failed under tension. Patterns H and LH (compared with pattern L) showed minor strengthening effectiveness.
Magnucki, Krzysztof;Jasion, Pawel;Szyc, Waclaw;Smyczynski, Mikolaj Jan
Steel and Composite Structures
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v.16
no.3
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pp.325-337
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2014
The strength and buckling problem of a five layer sandwich beam under axial compression or bending is presented. Two faces of the beam are thin aluminium sheets and the core is made of aluminium foam. Between the faces and the core there are two thin binding glue layers. In the paper a mathematical model of the field of displacements, which includes a share effect and a bending moment, is presented. The system of partial differential equations of equilibrium for the five layer sandwich beam is derived on the basis of the principle of stationary total potential energy. The equations are analytically solved and the critical load is obtained. For comparison reasons a finite element model of the beam is formulated. For the case of bended beam the static analysis has been performed to obtain the stress distribution across the height of the beam. For the axially compressed beam the buckling analysis was carried out to determine the buckling load and buckling shape. Moreover, experimental investigations are carried out for two beams. The comparison of the results obtained in the analytical and numerical (FEM) analysis is shown in graphs and figures. The main aim of the paper is to present an analytical model of the five layer beam and to compare the results of the theoretical, numerical and experimental analyses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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