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.
Cold Formed Steel members are widely used in today's construction industry. However the structural behavior of light gauge high strength cold formed steel sections characterized by various buckling modes are not yet fully understood. Because of their simple forming and easy connections, the commonly used cold formed sections for beams are C and Z. However both these sections suffer from certain buckling modes. To achieve much improved structural performance of cold formed sections for beams both in terms of strength and stiffness, it is important to either delay or completely eliminate their various modes of buckling. This paper presents various innovative sectional profiles and stiffening arrangements for cold formed steel beams which would successfully contribute in delaying or eliminating various modes of premature buckling, thus considerably improving the load carrying capacity as well as stiffness characteristics of such innovative cold formed sections compared to conventional cold formed steel sections commonly used for beams.
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.
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.
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.
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.
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.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.7
no.1
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pp.51-59
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2013
The use of light-gauge steel framing in low-rise commercial and industrial building construction has experienced a significant increase in recent years. In such construction, the wall framing is an assembly of cold-formed steel (CFS) studs held between top and bottom CFS tracks. Current construction methods utilize heavy hot-rolled steel sections, such as steel angles or hollow structural section tubes, to transfer the load from the end seats of the floor joist and/or from the load-bearing wall studs of the stories above to the supporting load-bearing wall below. The use of hot rolled steel elements results in significant increase in construction cost and time. Such heavy steel elements would be unnecessary if the concrete slab thickening on top of the CFS wall can be made to act compositely with the CFS track. Composite action can be achieved by attaching stand-off screws to the track and encapsulating the screw shank in the deck concrete. A series of experimental studies were performed on full-scale test specimens representing concrete/CFS flexural elements under gravity loads. The studies were designed to investigate the structural performance of concrete/CFS simple beams and concrete/CFS continuous headers. The results indicate that concrete/CFS composite flexural elements are feasible and their structural behavior can be modeled with reasonable accuracy.
Eight cold-formed thin-walled steel beams were performed to investigate the effect of corrosion damage on the flexural behavior of steel beams. The relationships between failure modes or load-displacement curves and corrosion degree of steel beams were investigated. A series of parametric analysis with more than forty finite element models were also performed with different corrosion degrees, types and locations. The results showed that the reduction of cross-section thickness as well as corrosion pits on the surface would lead to a decline in the stiffness and flexural capacity of steel beams, and gradually intensified with the corrosion degree. The yield load, ultimate load and critical buckling load of the corroded specimen IV-B46-4 decreased by 22.2%, 26% and 45%, respectively. The failure modes of steel beams changed from strength failure to stability failure or brittle fracture with the corrosion degree increasing. In addition, thickness damage and corrosion pits at different locations caused the degradation of flexural capacity, the worst of which was the thickness damage of compression zone. Finally, the method for calculating flexural capacity of corroded cold-formed thin-walled steel beams was also proposed based on experimental investigation and numerical analysis results.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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