Composite flooring systems consisting of cold-formed steel joists and reinforced concrete slabs offer an efficient, lightweight solution. However, utilisation of composite action to achieve enhanced strength and economical design has been limited. In this study, finite element modelling was utilised to create a three-dimensional model which was then validated against experimental results for a composite flooring system consisting of cold-formed steel joists, reinforced concrete slab and steel bolt shear connectors. This validated numerical model was then utilised to perform parametric studies on the performance of the structural system. The results from the parametric study demonstrate that increased thickness of the concrete slab and increased thickness of the cold formed steel beam resulted in higher moment capacity and stiffness of the composite flooring system. In addition, reducing the spacing of bolts and spacing of the cold formed steel beams both resulted in enhanced load capacity of the composite system. Increasing the concrete grade was also found to increase the moment capacity of the composite flooring system. Overall, the results show that an efficient, lightweight composite flooring system can be achieved and optimised by selecting suitable concrete slab thickness, cold formed beam thickness, bolt spacing, cold formed beam spacing and concrete grade.
Shear connectors are key elements that ensure integrity in a composite system. The primary purpose of a shear connector is to bring a high degree of interaction between composite elements. A wide variety of connectors are available for hot-rolled composite construction, connected to the beam through welding. However, with cold-formed members being very thin, welding of shear connectors is not desirable in cold-formed composite constructions. Shear connectors for cold-formed elements are limited in studies as well as in the market. Hence in this study, three different types of shear connectors, namely, single-channel, double channel, and self-tapping screw, were considered, and their performance assessed by the Push-out test as per Eurocode 4. The connection between channel shear connectors and the beam was made using self-tapping screws to avoid welding. The performance of the connectors was analyzed based on their ultimate capacity, characteristic capacity, ductility, and slippage during loading. Strength to weight ratio was also carried out to understand the proposed connectors' suitability for conventional ones. The results showed relatively higher initial stiffness and ductility for double channel connectors than other connectors. Also, self-tapping screws had a higher strength to weight ratio with low ductility.
Dar, M. Adil;Subramanian, N.;Anbarasu, M.;Dar, A.R.;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.27
no.5
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pp.545-554
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2018
This study presents a novel method of improving the strength and stiffness of cold-formed steel (CFS) beams. Flexural members are primary members in most of the structures. Hence, there is an urgent need in the CFS industry to look beyond the conventional CFS beam sections and develop novel techniques to address the severe local buckling problems that exist in CFS flexural members. The primary objective of this study was to develop new CFS composite beam sections with improved structural performance and economy. This paper presents an experimental study conducted on different CFS composite beams with simply supported end conditions under four point loading. Material properties and geometric imperfections of the models were measured. The test strengths of the models are compared with the design strengths predicted by using Australian/New Zealand Standard for cold-formed steel structures. Furthermore, to ensure high precision testing, a special testing rig was also developed for testing of long span beams. The description of test models, testing rig features and test results are presented here. For better interpretation of results, a comparison of the test results with a hot rolled section is also presented. The test results have shown that the proposed CFS composite beams are promising both in terms of better structural performance as well as economy.
de Andrade, S.A.L.;da S. Vellasco, P.C.G.;Mergulhao, A.J.R.
Steel and Composite Structures
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v.2
no.5
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pp.397-410
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2002
The main aim of the present paper is to present the results of a full-scale experimental investigation to study the structural behaviour of composite steel beams. The composite beam was made of cold-formed steel section shapes filled with reinforced concrete. First a comprehensive description of the experimental results in terms of: deflections, deformations, slippage and stress levels on critical steps of the load path is presented. The experimental results were then compared to theoretical values obtained by the use of an analytical model based on ultimate limit state stress blocks. Finally, a practical application of the use of this structural solution is depicted.
Oh, Hyoung Seok;Shin, Hyeongyeop;Ju, Youngkyu;Kang, Thomas H.K.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.3
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pp.311-325
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2022
For multi-story structural systems, Korean steel industry has fostered development of a steel-concrete composite beam. Configuration of the composite beam is characterized by steel angle shear connectors welded to a U-shaped cold formed-steel beam. Effects of shear connector orientation and spacing were studied to evaluate current application of the angle shear connector design equation in AC495. For the study, interfacial shear resistance behavior was investigated by conducting 24 push-out tests and attuned using unreinforced push-out specimens. Interfacial shear to horizontal slip response was reported along with corresponding failure patterns. Pure shear connector strength was also evaluated by excluding concrete shear contribution, which was estimated in relation to steel beam-slab interface separation or interfacial crack width.
An experimental investigation to study the behaviour of connections between cold-formed steel (CFS) joist and plywood structural panel is presented in this paper. Material testing on CFS and plywood was carried out to assess their mechanical properties and behaviour. Push-out tests were conducted to determine the slip modulus and failure modes of three different shear connection types. The employed shear connectors in the study were; size 14 (6mm diameter) self-drilling screw, M12 coach screw, and M12 nut and bolt. The effective bending stiffness of composite cold-formed steel and plywood T-beam assembly is calculated based on the slip modulus values computed from push-out tests. The effective bending stiffness was increased by 25.5%, 18% and 30.2% for self-drilling screw, coach screw, nut and bolt, respectively, over the stiffness of cold-formed steel joist alone. This finding suggests the potential to enhance the structural performance of composite cold-formed steel and timber flooring system by mobilisation of composite action present between timber sheathing and CFS joist.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.10a
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pp.206-213
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1999
The behavior of composite beams, which are composed of cold-formed steel sheeting and normal strength concrete, have been studied. An analytical method has been developed to trace the nonlinear behavior of composite beams. The nonlinear material properties of steel sheeting, reinforcing steel bar and concrete have been included in the analysis. The nonlinear moment-curvature relation of the composite beam has been described using a cross section analysis method and a simple power model, separately. The load-deflection behavior of the beams has been simulated by step-by-step numerical integration method and is compared with test results.
Dar, M. Adil;Subramanian, N.;Dar, Dawood A.;Dar, A.R.;Anbarasu, M.;Lim, James B.P.;Mahjoubi, Soroush
Steel and Composite Structures
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v.34
no.2
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pp.171-188
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2020
The past research on cold-formed steel (CFS) flexural members have proved that rectangular hollow flanged sections perform better than conventional I-sections due to their higher torsional rigidity over the later ones. However, CFS members are vulnerable to local buckling, substantially due to their thin-walled features. The use of packing, such as firmly connected timber planks, to the flanges of conventional CFS lipped I-sections can drastically improve their flexural performance as well as structural efficiency. Whilst several CFS composites have been developed so far, only limited packing materials have been tried. This paper presents a series of tests carried out on different rectangular hollow compression flanged sections with innovative packing materials. Four-point flexural tests were carried out to assess the flexural capacity, failure modes and deformed shapes of the CFS composite beam specimens. The geometric imperfections were measured and reported. The North American Specifications and Indian Standard for cold-formed steel structures were used to compare the design strengths of the experimental specimen. The test results indicate clearly that CFS rectangular 'compression' flanged composite beams perform significantly better than the conventional rectangular hollow flanged CFS sections.
Serror, Mohammed H.;Soliman, Essam G.;Hassan, Ahmed F.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.4
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pp.385-397
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2017
Currently, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) plate bonding is used quite extensively as a strengthening method. In this technique, a composite CFRP plate or sheet of relatively small thickness is bonded with an adhesion material to steel or concrete structure in order to improve its structural behavior and strength. The sheets or plates do not require much space and give a composite action between the adherents. In this study, the rotation capacity of CFRP-strengthened cold-formed steel (CFS) beams has been evaluated through numerical investigation. Studies on different structural levels have been performed. At the beam level, C-section has been adopted with different values of profile thickness, web height, and flange width. At the connection level, a web bolted moment resistant type of connection using through plate has been adopted. In web-bolted connections without CFRP strengthening, premature web buckling results in early loss of strength. Hence, CFRP sheets and plates with different mechanical properties and geometric configurations have been examined to delay web and flange buckling and to produce relatively high moment strength and rotation capacity. The numerical results reveal that CFRP strengthening may increase strength, initial stiffness, and rotation capacity when compared with the case without strengthening.
Valsa Ipe, T.;Sharada Bai, H.;Manjula Vani, K.;Zafar Iqbal, Merchant Mohd
Steel and Composite Structures
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v.14
no.2
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pp.105-120
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2013
Flexural behavior of thin walled steel-concrete composite sections as cross sections for beams is investigated by conducting an experimental study supported by applicable analytical predictions. The experimental study consists of testing up to failure, simply supported beams of effective span 1440 mm under two point loading. The test specimens consisted of composite box and channel (with lip placed on tension side and compression side) sections, the behavior of which was compared with companion empty sections. To understand the role of shear connectors in developing the composite action, some of the composite sections were provided with novel simple bar type and conventional bolt type shear connectors in the shear zone of beams. Two RCC beams having equivalent ultimate moment carrying capacities as that of composite channel and box sections were also considered in the study. The study showed that the strength to weight ratio of composite beams is much higher than RCC beams and ductility index is also more than RCC and empty beams. The analytical predictions were found to compare fairly well with the experimental results, thereby validating the applicability of rigid plastic theory to cold-formed steel concrete composite beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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