The steel-concrete composite system has been playing a vital role in the construction sector for the past two decades. By using steel and concrete together, we achieve strong load resistance with minimal deflection and bending stress. The study focuses on the numerical and analytical behaviour of concrete encased steel castellated beams and compared them with previous experiments. The study used five composite beams, including one control reinforced concrete beam (CC), one fully concrete encased steel beam (FCES), and three fully concrete encased castellated beams. The major variable is the opening configuration of the castellated beam, such as openings along the longitudinal axis, above the longitudinal axis, and below the longitudinal axis. The 150 mm × 250 mm cross section and 2000 mm in length of beams were used. Using the finite element software ANSYS, we conduct nonlinear finite element analysis for the entire beam and compare it with test data. The numerical load carrying capacity of concrete encased steel castellated beam with a hexagonal opening above the longitudinal axis (FCESCB H2) is 160 kN is closer to the experimental observation. Von Mises strain of FCESB is 0.004232, which is lower than CB and composite castellated beam. The ductility factor and energy absorption capacity of FCESB are 5.090 and 1688.47 kNm. It was observed that the configuration of the opening will influence the strength of the composite beam. Plastic moment methods were employed to estimate the ultimate load carrying capacity of the beam. In the analytical study the beams were assumed as perfectly plastic. The ultimate analytical load carrying capacity of FCESCB H2 is 21.87% higher than FCESB. It found that performing FCESCB H2 is superior to the entire specimen.
This paper presents a finite element (FE) simulation of eccentrically loaded lightweight aggregate concrete-encased steel (LACES) columns with H-shaped steel sections, analytical equations are also established to estimate the columns' axial and bending moment interaction capacities. The validity of the proposed models is checked by comparing the results with experimental data. Good agreements between the test and proposed models' results are found with acceptable agreements. Moreover, design parameters, including the lightweight aggregate concrete (LWAC) strength, eccentricity, column slenderness ratio, and confinement, are studied using the FE analysis, and their efficiency factors are discussed. The results show that the ultimate axial capacity of the LACES composite columns subjected to eccentric loading is negatively affected by the increase in the columns' height, but it is positively affected by the increase of the confinement. Increasing the eccentricity and columns' height reduced the columns'stiffness. In addition, the ultimate capacity of the LACES column is significantly influenced by the LWAC strength and eccentricity, where the ultimate capacity of the LACES column is significantly increased by increasing LWAC strength, and it is remarkably decreased by increasing the eccentricity. When the eccentricity changed from zero to 70 mm, the ultimate axial capacity and stiffness decreased by 67.97% and 63.56%, respectively.
A steel-concrete composite column is a recently developed composite system in which the two opposite flanges of the H-shape section are connected by welded links, and the vacant space enclosed by the flanges, web, and links is filled with concrete. Previous experiments on the SC composite column were performed to evaluate its compression and bending and shear strengths, respectively, and they showed fairly good results. In addition to thesestudies, it may be necessary to evaluate the flexural-axial capacity of an SC composite column, because itscolumn members are generally subjected to axial force and bending moment at the same time. In this study, the bending strength of an SC composite column subjected to axial compression force was investigated experimentally. The results of the study showed that the AISC-LRFD provisions representedexcessively low values compared with those of the ACI, Eurocode-4, and Japan Code provisions. The Eurocode-4 provisions represented reasonable evaluations of the strength of the SC composite column composed of a non-compact section.
This paper presents a useful in-plane structural analysis of low-rise blind-bolted composite frames with semi-rigid joints. Analytical models were used to predict the moment-rotation relationship of the composite beam-to-column flush endplate joints that produced accurate and reliable results. The comparisons of the analytical model with test results in terms of the moment-rotation response verified the robustness and reliability of the model. Abaqus software was adopted to conduct frame analysis considering the material and geometrical non-linearities. The flexural behaviour of the composite frames was studied by applying the lateral loads incorporating wind and earthquake actions according to the Australian standards. A wide variety of frames with a varied number of bays and storeys was analysed to determine the bending moment envelopes under different load combinations. The design models were finalized that met the strength and serviceability limit state criteria. The results from the frame analysis suggest that among lateral loads, wind loads are more critical in Australia as compared to the earthquake loads. However, gravity loads alone govern the design as maximum sagging and hogging moments in the frames are produced as a result of the load combination with dead and live loads alone. This study provides a preliminary analysis and general understanding of the behaviour of low rise, semi-continuous frames subjected to lateral load characteristics of wind and earthquake conditions in Australia that can be applied in engineering practice.
Connections with damage concentrated to pre-selected components can enhance seismic resilience for moment resisting frames. These pre-selected components always yield early to dissipate energy, and their energy dissipation mechanisms vary from one to another, depending on their position in the connection, geometry configuration details, and mechanical characteristics. This paper presents behaviour insights on two types of beam-to-beam connections that the angles were designed as energy dissipation components, through the results of experimental study and finite element analysis. Firstly, an experimental programme was reviewed, and key responses concerning the working mechanism of the connections were presented, including strain distribution at the critical section, section force responses of essential components, and initial stiffness of test specimens. Subsequently, finite element models of three specimens were established to further interpret their behaviour and response that were not observable in the tests. The moment and shear force transfer paths of the composite connections were clarified through the test results and finite element analysis. It was observed that the bending moment is mainly resisted by axial forces from the components, and the dominant axial force is from the bottom angles; the shear force at the critical section is primarily taken by the slab and the components near the top flange. Lastly, based on the insights on the load transfer path of the composite connections, preliminary design recommendations are proposed. In particular, a resistance requirement, quantified by a moment capacity ratio, was placed on the connections. Design models and equations were also developed for predicting the yield moment resistance and the shear resistance of the connections. A flexible beam model was proposed to quantify the shear resistance of essential components.
Aging and deterioration of existing steel structures necessitate the development of simple and efficient rehabilitation techniques. The current study investigates a methodology to enhance the flexural capacity of steel beams by bonding Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) sheets to their flanges. A heavy duty adhesive, tested in a previous study is used to bond the steel and the GFRP sheet. In addition to its ease of application, the GFRP sheet provides a protective layer that prevents future corrosion of the steel section. The study reports the results of bending tests conducted on a W-shaped steel beam before and after rehabilitation using GFRP sheets. Enhancement in the moment capacity of the beam due to bonding GFRP sheet is determined from the test results. A closed form analytical model that can predict the yield moment as well as the stresses induced in the adhesive and the GFRP sheets of rehabilitated steel beam is developed. A detailed finite element analysis for the tested specimens is also conducted in this paper. The steel web and flanges as well as the GFRP sheets are simulated using three-dimensional brick elements. The shear and peel stiffness of the adhesive are modeled as equivalent linear spring systems. The analytical and experimental results indicate that a significant enhancement in the ultimate capacity of the steel beam is achieved using the proposed technique. The finite element analysis is employed to describe in detail the profile of stresses and strains that develop in the rehabilitated steel beam.
Moon, Sang Hwa;Shin, Young Wan;Kim, Seung Hwan;Yoo, Han Kyu
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.5C
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pp.221-229
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2012
Steel ribs such as H-beam or lattice girder are often reinforced to secure the stability of NATM tunnel when the ground is in the bad condition. When designing, however, steel ribs are not often taken into consideration on the numerical analysis when they are regarded as temporary tunnel supports until shotcrete shows its best performance or if they are, there are various modeling methods. This study shows behavior and loading capacity of steel ribs and shotcrete through the strength test on the bending, pressure and full-scaled. Also, we conducted and analyzed the experiment of composite member consisting of shotcrete and steel ribs under the same condition. Through the result, we can find the fact that shotcrete and steel ribs do not work as one unit because of slipping on the boundary. Also, when numerical analyzing, it was concluded that steel ribs cover all bending moment and shotcrete and steel ribs share with axial force according to the compressive strength.
The composited structural member in which two or more materials having different stress-strain relationships (steel & concrete) has increased greatly in recent years. This paper presents the experimental results of flexural capacity of the composited H-Pile subjected to bending moment. Eight composited beams were tested under direct loading condition using the frame tester. Based on the experimental results it is noted that flexural capacity of composited H-Pile increased about 20~30% and ductility ratio significantly increased. Limit state analysis of the specimens was conducted and the result shows that flexural strength by limit state analysis is conservative.
Hwang, Sun Kyoung;Lim, Byung Hoon;Kim, Chang Gyo;Yun, Hyun Do;Park, Wan Shin
Architectural research
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v.7
no.1
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pp.39-48
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2005
Main objective of this research is to evaluate performance of high-strength concrete (HSC) columns for ductility and strength. Eight one-third scale columns with compressive strength of 69 MPa were subjected to a constant axial load corresponding to 30 % of the column axial load capacity and a cyclic horizontal load-inducing reversed bending moment. The variables studied in this research are the volumetric ratio of transverse reinforcement (${\rho}_s=1.58$, 2.25 %), tie configuration (Type H, Type C and Type D) and tie yield strength ($f_{yh}=549$ and 779 MPa). Test results show that the flexural strength of every column exceeds the calculated flexural capacity based on the equivalent concrete stress block used in the current design code. Columns with 42 % higher amounts of transverse reinforcement than that required by seismic provisions of ACI 318-02 showed ductile behaviour, showing a displacement ductility factor (${\mu}_{{\Delta}u}$) of 3.69 to 4.85, and a curvature ductility factor (${\mu}_{{\varphi}u}$) of over 10.0. With an axial load of 30 % of the axial load capacity, it is recommended that the yield strength of transverse reinforcement be held equal to or below 549 MPa.
Parol, Jafarali;Al-Qazweeni, Jamal;Salam, Safaa Abdul
Computers and Concrete
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v.21
no.1
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pp.95-102
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2018
Reinforced concrete corbel beams (span to depth ratio of a corbel is less than one) are designed with primary reinforcement bars to account for bending moment and with the secondary reinforcement placed parallel to the primary reinforcement (shear stirrups) to resist shear force. It is interesting to note that most of the available analytical procedures employ empirical formulas for the analysis of reinforced concrete corbels. In the present work, a generalized and a simple strut and tie models were employed for the analysis of reinforced corbel beams. The models were benchmarked against experimental results available in the literature. It was shown here that increase of shear stirrups increases the load carrying capacity of reinforced concrete corbel beams. The effect of horizontal load on the load carrying capacity of the corbel beams has also been examined in the present paper. It is observed from the strut and tie models that the resistance of the corbel beam subjected to combined horizontal and vertical load did not change with increase in shear stirrups if the failure of the corbel is limited by concrete crushing. In other words, the load carrying capacity was independent of the horizontal load when failure of the beam occurred due to concrete crushing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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