Composite beams with web openings are vulnerable to Vierendeel bending failure. The available methods provide quite conservative estimates of Vierendeel bending resistance. An alternative design method to compute the resistance was proposed in this study, based on quadratic nonlinear interactions of normalized shear force, axial force and Vierendeel bending moment. The interactions of the top and bottom Tee section must satisfy mutual conditions to prevent the Vierendeel failure. The normalized shear force and Vierendeel bending moment of the composite part were used instead in the top Tee interaction. The top Tee axial force was computed based on force equilibrium. Based on a rigid-plastic model, the composite resistance is estimated using an effective slab width of the vertical shear resistance. On using the proposed method, nonlinear reductions due to shear loads and axial forces are not required, in contrast to prior methods. The proposed method was validated against experiments from literature. The method limitations and accuracy as well as the Vierendeel behavior were investigated by finite element simulations, with varied composite beam parameters. The proposed design loads are less conservative than earlier estimates and deviate less from the simulations.
Web openings of large beams provide space for wiring, piping, and duct work to provide for proper drainage, pipes and duct must be slightly sloped with the attendant result that all web openings can not be centered on the centroidal axes of the beams. Test specimens are made for opening-depth to beam-depth ratio of 0.5 and for eccentricities of the opening center line of 10% from middepth of the beam because of the proximity of the opening edge to the flange. In this paper, available test results and theories relating to the strength of composite beams having eccentric rectangular openings are surveyed and experiments were carried out to examine the structural behaviors. In all the tests in this paper good agreement is demonstrated with maximum loads measured in tests, and observed failure modes Furthermore, compared with analytical values and experimental values of interaction diagram between moment and shear capacity were safed as it is scattered with outer part of the analytical values.
Han, Sun-Jin;Kim, Jae Hyun;Choi, Seung-Ho;Heo, Inwook;Kim, Kang Su
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.3
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pp.311-321
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2022
In the buildings with long spans and high floors, such as logistics warehouses and semiconductor factories, it is difficult to install supporting posts under beams during construction. Therefore, the size of structural members becomes larger inevitably, resulting in a significant increase in construction costs. Accordingly, a prestressed hybrid wide flange (PHWF) beam with hollowed steel webs was developed, which can reduce construction costs by making multiple openings in the web of the steel member embedded in concrete. However, since multiple openings exist and prestress is introduced only into the bottom flange concrete, it is necessary to identify the shear resistance mechanism of the PHWF beam. This study presents experimental shear tests of PHWF beams with hollowed steel webs. Four PHWF beams with cast-in-place (CIP) concrete were fabricated, with key variables being the width and spacing of the steel webs embedded in the concrete and the presence of shear reinforcing bars, and web-shear tests were conducted. The shear behavior of the PHWF beam, including crack patterns, strain behavior of steel webs, and composite action between the prestressed bottom flange and CIP concrete, were measured and analyzed comprehensively. The test results showed that the steel web resists external shear forces through shear deformation when its width is sufficiently large, but as its width decreased, it exerted its shear contribution through normal deformation in a manner similar to that of shear reinforcing bars. In addition, it was found that stirrups placed on the cross section where the steel web does not exist contribute to improving the shear strength and deformation capacity of the member. Based on the shear behavior of the specimens, a straightforward calculation method was proposed to estimate the web-shear strength of PHWF beams with CIP concrete, and it provided a good estimation of the shear strength of PHWF beams, more accurate than the existing code equations.
Plastic deformation of link beams in eccentrically braced frames is the primary dissipating source of seismic energy. Despite the excellent compatibility with the architectural designs, previous researches indicate the deficiency of flexural yielding links compared to the shear yielding ones because of their localized plastic deformation. Previous investigations have shown that implementing web openings in beams could be an efficient method to improve the seismic performance of moment-resisting connections. Accordingly, this research investigates the use of flexural links with stiffened and un-stiffened web openings to eliminate localized plasticity at the ends of the link. For this purpose, the numerical models are generated in finite element software "Abaqus" and verified against experimental data gathered from other studies. Models are subjected to cyclic displacement history to evaluate their behavior. Failure of the numerical models under cyclic loading is simulated using a micromechanical based damage model known as Cyclic Void Growth Model (CVGM). The elastic stiffness and the strength-based and CVGM-based inelastic rotation capacity of the links are compared to evaluate the studied models' seismic response. The results of this investigation indicate that some of the flexural links with edge stiffened web openings show increased inelastic rotation capacity compared to an un-perforated link.
Plastic deformation of link beams in eccentrically braced frames is the primary dissipating source of seismic energy. Despite the excellent compatibility with the architectural designs, previous researches indicate the deficiency of flexural yielding links compared to the shear yielding ones because of their localized plastic deformation. Previous investigations have shown that implementing web openings in beams could be an efficient method to improve the seismic performance of moment-resisting connections. Accordingly, this research investigates the use of flexural links with stiffened and un-stiffened web openings to eliminate localized plasticity at the ends of the link. For this purpose, the numerical models are generated in finite element software "Abaqus" and verified against experimental data gathered from other studies. Models are subjected to cyclic displacement history to evaluate their behavior. Failure of the numerical models under cyclic loading is simulated using a micromechanical based damage model known as Cyclic Void Growth Model (CVGM). The elastic stiffness and the strength-based and CVGM-based inelastic rotation capacity of the links are compared to evaluate the studied models' seismic response. The results of this investigation indicate that some of the flexural links with edge stiffened web openings show increased inelastic rotation capacity compared to an un-perforated link.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1999.10a
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pp.162-169
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1999
Intentionally weakened girders near the beam-to-colum connection lead ductile failures at the weakened points prior to potential brittle failure at the connection points subjected to strong earthquake. Recent research investigated cyclic behavior of composite beams with a rectangular web opening and find out ductile failure of such beams due to plastic hinge formation of T-section at the four corners of the rectangular opening. But eventual failures of T-sections are resulted from local buckling of T-section having a narrow stem and a narrow bound of plastic hinge formation. This continuing research proposes double-circular opening instead of rectangular one in ofter to improve energy dissipation capacity as well as composite beam strength, Experimental test of two specimens was carried out and its results are compared with those of nonlinear finite element analyses
A study on the behaviour of fibre reinforced concrete deep beams with and without web openings is carried out using nonlinear finite element analysis. Eight node isoparametric plane stress elements are employed to model the fibre reinforced concrete materials. Steel bars are treated using a compatible three node truss elements. The constitutive equations for fibre reinforced concrete materials take into account the softening effect of co-existing shear strains. Element stiffness at each step is formulated based on the tangent modulus at the current level of principal strains. Transformation between principal directions and global coordinate system is imposed. Comparison of analytical results with experimental values indicates reasonably good agreement. The proposed numerical model can be used to study the behaviour of this composite structures of practically any geometries.
Kim, Pil-Jung;Choi, San-Ho;Yang, Young-Sung;Kim, Kyu-Suk;Kim, Suk-Jung
Journal of Industrial Technology
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v.11
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pp.17-25
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1991
A model for the strength of composite beams with reinforced web openings is presented. All of the models are based on the static theorem of ultimate strength of reinforced rectangular perforated composite beam and is compared to the test.
This paper presents an investigation on the shear resistance of corrugated web steel beams (CWBs) with a circular web opening. A total of five specimens with different diameters of web openings were designed and tested with vertical load applied on the top flange at mid-span. The ultimate strengths, failure modes, and load versus middle displacement curves were obtained from the tests. Following the tests, numerical models of the CWBs were developed and validated against the test results. The influence of the web plate thickness, steel grade, opening diameter, and location on the shear strength of the CWBs was extensively investigated. An XGBoost machine learning model for shear resistance prediction was trained based on 256 CWB samples. The XGBoost model with optimal hyperparameters showed excellent accuracy and exceeded the accuracy of the available design equations. The effects of geometric parameters and material properties on the shear resistance were evaluated using the SHAP method.
Mehmet Fethi Ertenli;Erdal Erdal;Alper Buyukkaragoz;Ilker Kalkan;Ceyhun Aksoylu;Yasin Onuralp Ozkilic
Steel and Composite Structures
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v.46
no.5
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pp.709-718
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2023
The absence of an important portion of the web plate in steel beams with multiple circular perforations, cellular beams, causes the web plate to undergo distortions prior to and during lateral torsional buckling (LTB). The conventional LTB equations in the codes and literature underestimate the buckling moments of cellular beams due to web distortions. The present study is an attempt to develop analytical methods for estimating the elastic buckling moments of cellular beams. The proposed methods rely on the reductions in the torsional and warping rigidities of the beams due to web distortions and the reductions in the weak-axis bending and torsional rigidities due to the presence of web openings. To test the accuracy of the analytical estimates from proposed solutions, a total of 114 finite element analyses were conducted for six different standard IPEO sections and varying unbraced lengths within the elastic limits. These analyses clearly indicated that the LTB solutions in the AISC 360-16 and AS4100:2020 codes overestimate the buckling loads of cellular beams within elastic limits, particularly at shorter span lengths. The LDB solutions in the literature and the Eurocode 3 LTB solution, on the other hand, provided conservative buckling moment estimates along the entire range of elastic buckling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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