The growing use of unprotected or partially protected steelwork in buildings has caused a lively debate regarding the safety of this form of construction. A good deal of recent research has indicated that steel members have a substantial inherent ability to resist fire so that additional fire protection can be either reduced or eliminated completely. A performance based philosophy also extends the study into the effect of structural continuity and the performance of the whole structural totality. As part of the structural system, thermal expansion during the heating phase or contraction during the cooling phase in most beams is likely to be restrained by adjacent parts of the whole system or sub-frame assembly due to compartmentation. This has not been properly addressed before. This paper describes an experimental programme in which unprotected steel beams were tested under load while it is restrained between two columns and additional horizontal restraints with particular concern on the effect of catenary action in the beams when subjected to large deflection at very high temperature. This paper also presents a three-dimensional mathematical modelling, based on the finite element method, of the series of fire tests on the part-frame. The complete analysis starts with an evaluation of temperature distribution in the structure at various time levels. It is followed by a detail 3-D finite element analysis on its structural response as a result of the changing temperature distribution. The principal part of the analysis makes use of an existing finite element package FEAST. The effect of columns being fire-protected and the beam being axially restrained has been modelled adequately in terms of their thermal and structural responses. The consequence of the beam being restrained is that the axial force in the restrained beam starts as a compression, which increases gradually up to a point when the material has deteriorated to such a level that the beam deflects excessively. The axial compression force drops rapidly and changes into a tension force leading to a catenary action, which slows down the beam deflection from running away. Design engineers will be benefited with the consideration of the catenary action.
For the construction of open-topped steel box girder bridges, prefabricated concrete slab could offer several advantages over cast-in-situ deck including good quality control, fast construction, and elimination of the formwork for concrete slab casting. However, precast decks without reinforcements at transverse joints between precast slabs should be designed to prevent the initiation of cracking at the joints, because the performance of the joint is especially crucial for the integrity of a structural system. Several prestressing methods are available to introduce proper compression at the joints, such as internal tendons, external tendons and support lowering after shear connection. In this paper, experimental results from a continuous composite bridge model with precast decks are presented. Internal tendons and external tendons were used to prevent cracking at the joints. Judging from the tests, precast decks in negative moment regions have the whole contribution to the flexural stiffness of composite section under service loads if appropriate prestressing is introduced. The validity of the calculation of a cracking load fur serviceability was presented by comparing an observed cracking load and the calculated value. Flexural behavior of the continuous composite beam with external prestressing before and after cracking was discussed by using the deflection and strain data.
Lima, Jerfson M.;Bezerra, Luciano M.;Bonilla, Jorge;Silva, Ramon S.Y.R.C.;Barbosa, Wallison C.S.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.5
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pp.569-586
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2020
The behavior of composite steel-concrete beams depends on the transmission of forces between two parts: the concrete slab and the steel I-beam. The shear connector is responsible for the interaction between these two parts. Recently, an alternative shear connector, called Truss Type connector, has been developed; it aligns efficient structural behavior, fast construction and implementation, and low cost when compared to conventional connectors applied in composite structures. However, there is still a lack of full understanding of the mechanical behavior of the Truss Type connector, due to its novelty. Thus, this study aims to analyze the influence of variation of geometric and physical parameters on the shear resistance of the Truss Type connector. In order to investigate those parameters, a non-linear finite element model, able to simulate push-out tests of Truss Type connectors, was specifically developed and validated with experimental results. A thorough parametric study, varying the height, the angle between rods, the diameter, and the concrete strength, was conducted to evaluate the shear resistance of the Truss Type connector. In addition, an equation to predict the resistance of the original Truss Type shear connector was proposed.
In a nonlinear finite element study on the mechanical behavior of simple beam connections to continuous concrete-filled steel tube columns, two principally different connection types were analyzed: one with plates attached to the outside of the tube wall, relying on shear transfer, and one with an extended plate inserted through the steel section to ensure bearing on the concrete core. The load was applied partly at the connection within the column length and partly at the top, representing the load from upper stories of a multistory building. The primary focus was on the increased demand for load transfer to ensure composite action when concrete with higher compressive strength is used. The results obtained from the analyses showed that the design bond strength derived from push tests is very conservative, mainly due to the high frictional shear resistance offered by pinching and contraction effects caused by connection rotation. However, with higher concrete strength the demand for load transfer increases, and is hard to fulfill for higher loads when connections are attached only to the steel section. Instead, the connection should penetrate into the concrete core to distribute load to the concrete by direct bearing.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.9
no.5
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pp.23-30
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2009
According to Korea Highway Bridge Design Code the bridge deck is designed by the strength design method and is regarded as a beam possessing the unit width based on the bending theory. By many researches it is revealed that the existing bridge deck is failed by punching shear. For evaluating the ultimate capacity of bridge deck it is important to estimate the behavior of bridge deck under the punching shear. For the punching strength it is difficult that the existing research results are applied to the simplified composite deck. In this study for comparing characteristics on punching shear the punching shear tests on simplified composite deck and RC deck are performed. The punching shear strength of simplified composite deck is compared with several bridge design codes.
Lim, Ohk Kun;Choi, Sengkwan;Kang, Sungwook;Kwon, Minjae;Choi, J. Yoon
Steel and Composite Structures
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v.32
no.6
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pp.743-752
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2019
Steel and concrete composite structures are commonly applied in multi-story buildings as they maximise the material strength through composite action. Despite the popularity of employing a trapezoidal deck slab, limited experimental data are available under elevated temperatures. The behaviour of the headed shear stud embedded in a transverse trapezoidal deck and solid slab was investigated at both ambient and fire conditions. Twelve push-out tests were conducted according to the ISO 834 standard fire utilising a customised electric furnace. A stud shearing failure was observed in the solid slab specimen, whereas the failure mode was changed from a concrete-dominated failure to the stud shearing in the transverse deck specimen with an increase in temperature. Comparisons between the experimental observations and design requirements are presented. The Eurocode design guidance on the transverse deck slab gives a highly conservative estimate for shear resistance. A new design formula was proposed to determine the capacity of the shear connection regardless of the slab type when the stud shearing occurs at high temperatures.
In this study, new moment-resisting precast concrete beam-column joint made up of hybrid steel concrete was developed and tested. This beam-column joint is proposed for use in moderate seismic regions. It has square hollow tubular section in concrete column and connecting plate in precast U-beam. The steel elements in column and beam members were connected using bolt. Furthermore, in order to prevent the premature failure of concrete in hybrid steel-concrete connection, ECC(engineered cementitious composite) was used. An experimental study was carried out investigating the joint behavior subjected to reversed cyclic loading and constant axial compressive load. Two precast beam-column joint specimens and monolithic reinforced concrete joint specimen were tested. The variables for interior joints were cast-in-situ concrete area and transverse reinforcement within the joint. Tests were carried out under displacement controlled reverse cyclic load with a constant axial load. Joint performance is evaluated on the basis of connection strength, stiffness, energy dissipation, and displacement capacity. The test results showed that significant differences in structural behavior between the two types of connection because of different bonding characteristics between steel and concrete; steel and ECC. The proposed joint detail can induce to move the plastic hinge out of the ECC and steel plate. And proposed precast connection showed better performance than the monolithic connection by providing sufficient moment-resisting behavior suitable for applications in moderate seismic regions.
In previous weak-axis moment connection tests, brittle fracture always initiated near the edge of the beam flange groove weld due to force flow towards the stiffer column flanges, which is the opposite pattern as strong-axis moment connections. As part of the China NSFC (51278061) study, this paper tested two full-scale novel weak-axis reduced beam section moment connections, including one exterior frame connection specimen SJ-1 under beam end monotonic loading and one interior frame joint specimen SJ-2 under column top cyclic loading. Test results showed that these two specimens were able to satisfy the demands of FEMA-267 (1995) or ANSI/AISC 341-10 (2010) without experiencing brittle fracture. A parametric analysis using the finite element software ABAQUS was carried out to better understand the cyclic performance of the novel weak-axis reduced beam section moment connections, and the influence of the distance between skin plate and reduced beam section, a, the length of the reduced beam section, b, and the cutting depth of the reduced beam section, c, on the cyclic performance was analyzed. It was found that increasing three parametric values reasonably is beneficial to forming beam plastic hinges, and increasing the parameter a is conducive to reducing stress concentration of beam flange groove welds while increasing the parameters b and c can only reduce the peak stress of beam flange groove welds. The rules recommended by FEMA350 (2000) are suitable for designing the proposed weak-axis RBS moment connection, and a proven calculation formulation is given to determine the thickness of skin plate, the key components in the proposed weak-axis connections. Based on the experimental and numerical results, a design procedure for the proposed weak-axis RBS moment connections was developed.
In this paper a robust 2-noded connection element has been developed for modelling the bolted end-plate connection between steel beam and column at elevated temperatures. The numerical procedure described is based on the model proposed by Huang (2011), incorporating additional developments to more precisely determinate the tension, compression and bending moment capacities of end-plate connection in fire. The proper failure criteria are proposed to calculate the tension capacity for each individual bolt row. In this new model the connection failure due to bending, axial tension, compression and shear are considered. The influence of the axial force of the connected beam on the connection is also taken into account. This new model has the advantages of both the simple and component-based models. In order to validate the model a total of 22 tests are used. It is evident that this new connection model has ability to accurately predict the behaviour of the end-plate connection at elevated temperatures, and can be used to represent the end-plate connections in supporting performance-based fire resistance design of steel-framed composite buildings.
A bearing failure in RCS(Reinforced Concrete Column and Steel Beam) system is recognized as one of the distinct joint failure modes for the composite frames. Vertical and transverse reinforcement in addition to concrete are effective for better transfer of vortical forces through concrete bearing. To examine the effect of the vertical bars, tie bars, a U-type detail developed in this study and concrete confinement, local bearing tests were conducted using 22 small-scale concrete block specimens. Test results show that vertical reinforcement and tie bars mainly contribute to the bearing capacity. However larger amounts of tie reinforcement are required than those recommend from ASCE guidelines, to apply the nominal concrete strength as 2 $f_{ck}$ over the bearing area. Cross ties are proved to be highly effective for resisting the vertical forces. Maximum bearing strength can be increased upto 2.5 $f_{ck}$ . An accurate prediction model for bearing strength is proposed for better design of the composite Joint.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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