Serror, Mohammed H.;Hamed, Ahmed N.;Mourad, Sherif A.
Steel and Composite Structures
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v.22
no.6
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pp.1417-1443
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2016
Cellular and castellated steel beams are used to obtain higher stiffness and bending capacity using the same weight of steel. In addition, the beam openings may be used as a pass for different mechanical fixtures such as ducts and pipes. The aim of this study is to investigate the effect of different parameters on both elastic and inelastic critical buckling stresses of steel web plates with openings. These parameters are plate aspect ratio; opening shape (circular or rectangular); end distance to the first opening; opening spacing; opening size; plate slenderness ratio; steel grade; and initial web imperfection. The web/flange interaction has been simplified by web edge restraints representing simply supported boundary conditions. A numerical parametric study has been performed through linear and nonlinear finite element (FE) models, where the FE results have been verified against both experimental and numerical results in the literature. The web plates are subject to in-plane linearly varying compression with different loading patterns, ranging from uniform compression to pure bending. A buckling stress modification factor (${\beta}$-factor) has been introduced as a ratio of buckling stress of web plate with openings to buckling stress of the corresponding solid web plate. The variation of ${\beta}$-factor against the aforementioned parameters has been reported. Furthermore, the critical plate slenderness ratio separating elastic buckling and yielding has been identified and discussed for two steel grades of DIN-17100, namely: ST-37/2 and ST-52/3. The FE results revealed that the minimum ${\beta}$-factor is 0.9 for web plates under uniform compression and 0.7 for those under both compression and tension.
In this study, two common types of laterally supported castellated beams are considered as design problems: beams with hexagonal openings and beams with circular openings. The main goal of manufacturing these beams is to increase the moment of inertia and section modulus, which results in greater strength and rigidity. These types of open-web beams have found widespread use, primarily in buildings, because of great savings in materials and construction costs. Hence, the minimum cost is taken as the design objective function and the Colliding Bodies Optimization (CBO) method is utilized for obtaining the solution of the design problem. The design methods used in this study are consistent with BS5950 Part 1 and Part 3, and Euro Code 3. A number of design examples are considered to optimize by CBO algorithm. Comparison of the optimal solution of the CBO algorithm with those of the Enhanced Charged System Search (ECSS) method demonstrate the capability of CBO in solving the present type of design problem. It is also observed that optimization results obtained by the CBO algorithm for three design examples have less cost in comparison to the results of the ECSS algorithm. From the results obtained in this paper, it can be concluded that the use of beam with hexagonal opening requires smaller amount of steel material and it is superior to the cellular beam from the cost point of view.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2000.10b
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pp.989-994
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2000
Nine tests to failure are performed on full-scale eight composite beams with unreinforced web opening having ribbed slabs with formed deck which are perpendicular to the steel section and one steel beam. The effects of slab width, reinforcing of stud, moving of rib, moment-shear ratio are studied. At the low M/V ratio, Vierendeel action around the high moment end of the opening is occurred and the large deflection across the opening and transverse cracking are occurred with increasing of applied load. As the M/V ratio increases, the relative deflection across the opening decreases. And at failure, full tensile strain are occurred at bottom T section of steel beam, and concrete crushes at the High Moment End of the opening. With narrow slabs, diagonal tension failure at the high moment end of the opening is occurred. And with wide slabs, rib punch-through failure is occurred near the high moment end of the opening. The implications for design are discussed.
A theoretical research project is undertaken to develop integrated analysis and design tools for long span composite beams in modern high-rise buildings, and it aims to develop non-linear finite element models for practical design of composite beams. As the first paper in the series, this paper presents the development study as well as the calibration exercise of the proposed finite element models for simply supported composite beams. Other practical issues such as continuous composite beams, the provision of web openings for passage of building services, the partial continuity offered by the connections to columns as well as the behaviour of both unprotected and protected composite beams under fires will be reported separately. In this paper, details of the finite elements and the material models for both steel and reinforced concrete are first described, and finite element studies of composite beams with full details of test data are then presented. It should be noted that in the proposed finite element models, both steel beams and concrete slabs are modelled with two dimensional plane stress elements whose widths are assigned to be equal to the widths of concrete flanges, and the flange widths and the web thicknesses of steel beams as appropriate. Moreover, each shear connector is modelled with one horizontal spring and one vertical spring to simulate its longitudinal shear and pull-out actions based on measured load-slippage curves of push-out tests of shear connectors. The numerical results are then carefully analyzed and compared with the corresponding test results in terms of load mid-span deflection curves as well as load end-slippage curves. Other deformation characteristics of the composite beams such as stress and strain distributions across the composite cross-sections as well as distributions of shear forces and slippages in shear connectors along the beam spans are also examined in details. It is shown that the numerical results of the composite beams compare well with the test data in terms of various load-deformation characteristics along the entire deformation ranges. Hence, the proposed analysis and design tools are considered to be simple and yet effective for composite beams with practical geometrical dimensions and arrangements. Structural engineers are strongly encouraged to employ the models in their practical work to exploit the full advantages offered by composite construction.
Heo, Byung Wook;Kwak, Myong Keun;Bae, Kyu Woong;Jeong, Sang Min
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.3
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pp.247-258
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2007
This paper describes the results of an experimental study on the new type of encased composite beams that use deep deck plates, which could reduce the story height of buildings by controlling the bottom flange of steel beams. The profiled steel beam was thus developed. It was advantageous to the long span of the buildings. Seven full-scale specimens were constructed, and simply supported bending tests were conducted on the encased composite beams with different steel plate thicknesses, with and without shear studs, reinforcing bars, and web openings. The test results showed that the encased composite beams that were developed in this study had sufficient composite action without additional shear connectors due to their inherent shear-bond effects between the steel beams and concrete.
Slim floor construction is becoming used throughout many countries. It combines the advantages of flat slab construction with significant inherent resistance to fire. The slim floor system with web openings leads to the reduction of its self-weight. Although the system has enough strength and stiffness, it is necessary to evaluate and improve the effects of dynamic vibration to be able to annoy the residents. Thus, this study evaluates the serviceability of vibration effects based on the dynamic test of five slim composite beams. Based on the experimental results, the initial stiffness and natural frequency of all specimens exhibit the similar trend regardless of the opening and the shape of cross section. The decrease in natural frequency is deeply related to the reduction in the stiffness of specimens and thus, it can be concluded that the damage of slim composite floor can be detected by the measurement of natural frequency instead of the load-carrying capacity and the stiffness.
Elastic-plastic shear buckling behaviors of the web-post in a Castellated Steel Beam (CSB) with hexagonal web openings under vertical shear force were investigated further using Finite Element Model (FEM) based on a sub-model, which took the upper part of the web-post under horizontal shear force to represent the whole web-post under vertical shear force. A simplified design method for the web-post elastic-plastic shear buckling strength was proposed based on simulation results of the sub-model. Proper boundary conditions were applied to the sub-model to assure that its behaviors were identical to those of the whole web-post. The equation to calculate the thin plate elastic shear buckling strength was adopted as the basic form to build the design equation for elastic-plastic buckling strength of the sub-model. Parameters that might affect the elastic-plastic shear buckling strength of the whole web-post were studied. After obtaining the vertical shear buckling strength of a sub-model through FEM, the shear buckling coefficient k can be obtained through the back analysis. A practical calculation method for k was proposed through curving fitting the parameter study results. The elastic-plastic shear buckling strength of the web-post calculated using the proposed shear buckling coefficient k agreed well with that obtained from the FEM and test results. And it was more precise than those obtained from EC3 based on the strut model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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