The calculation of fire resistance for a composite structural element comprises the calculation of the temperature within its cross-section and of the load bearing capacity, considering the evolution of the steel and concrete mechanical properties, function of the temperature. The paper proposes a method to calculate the bending capacity under ISO fire, for Slim Floor systems using asymmetric steel beams, with a wider lower flange or a narrow upper flange welded onto a half hot-rolled profile. The temperatures in the cross-section are evaluated by means of empirical formulas determined through a parametrical analysis, performed with the special purpose non-linear finite element program SAFIR. Considering these formulas, the bending capacity may be calculated, using an analytical approach to determine the plastic bending moment, for different fire resistance demands. The results obtained with this simplified method are validated through numerical analysis.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.16
no.4
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pp.53-58
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2016
SLIM AU(A plus U-shaped) composite beam was developed for reducing the story height in the residential buildings, and saving the cosrtuction cost of floor structures. Structural performance and economic feasibility of the composite beam have been sufficiently approved through the structural experiments and the analytical studies. However, the verification for fire safety is necessary for the practical application of the composite beam. The fire resistance tests with and without loading were performed for the fire safety verification, and the test results were summarized in this paper.
The composite slim beam has become popular throughout Europe in recent years and has also been used on some projects in China. With its steel section encased in a concrete slab, the steel-concrete composite slim beam can provide the floor construction with minimum depth and high fire resistance. However, the design method of the T-shape steel-concrete composite beam is no longer applicable to the composite slim beam with deep deck for its special construction, of which the present design models are not available but mainly depend on experiences. The elevation of the flexural stiffness and bending capacity of composite slim beams with deep deck is rather complicated, because the influences of many factors should be taken into account, such as the variable section dimensions, development of cracks and non-linear characteristics of concrete, etc. In this paper, experimental investigations have been conducted into the flexural behavior of two specimens of simply supported composite slim beam with deep deck. The emphases were laid on the bonding force on the interface between steel beam and concrete, the stress distribution of beam section, the flexural stiffness and bending capacity of the composite beams. Based on the experimental results, the reduction factor of equivalent stress distribution in concrete flange is suggested, and the calculation method of flexural stiffness and bending capacity of simply supported slim beams are proposed.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.16
no.4
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pp.133-140
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2016
SLIM AU(A plus U-shaped) composite beam had been developed for not only reducing the story height in residential and commercial building, but also saving the cost of floor construction. The structural performance and economic feasibility was sufficiently approved by means of structural experiments and analytical studies. Even though fire resistance of the SLIM AU composite beam was evaluated throughout furnace fire test, the fire performance of the composite beam using finite element analysis is not analysed yet. Therefore the predictions of fire resistance simulations with loading as well as temperature distribution of the composite beam are summarized in this paper.
This paper presents an experimental study on the flexural capacity of an encased(slim-floor) composite beam, which is a wider plate under bottom flange of H-beam with web openings. Five simple full-scale bending tests were conducted on the encased(slim-floor) composite beams at varying steel beam heights (250mm and 300mm), positions of web openings, and loading conditions. The test results revealed that the web-open encased composite beam had sufficient composite action, without any additional shear connection devices, because of the inherent shear-bond effects between the steel beam and the concrete, and a stable structural performance without web-opening reinforcements.
In this paper a mathematical model for the prediction of the fire resistance of slim-floor steel beams based on an Artificial Neural Network modeling procedure is presented. The artificial neural network models are trained and tested using an analytical database compiled for this purpose from analytical results based on FEM. The proposed model was selected as the optimum from a plethora of alternatives, employing different activation functions in the context of Artificial Neural Network technique. The performance of the developed model was compared against analytical results, employing several performance indices. It was found that the proposed model achieves remarkably improved predictions of the fire resistance of slim-floor steel beams. Moreover, based on the optimum developed AN model a closed-form equation for the estimation of fire resistance is derived, which can prove a useful tool for researchers and engineers, while at the same time can effectively support the teaching of this subject at an academic level.
Spavier, Patricia T.S.;Kataoka, Marcela N.;El Debs, Ana Lucia H.C.
Computers and Concrete
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v.28
no.5
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pp.497-506
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2021
Steel-concrete composite structures and precast concrete elements have a common prefabrication process and allow fast construction. The use of hollow-core slabs associated with composite floors can be advantageous. However, there are few studies on the subject, impeding the application of such systems. In this paper, a numerical model representing the considered system using the FE (finite element)-based software DIANA is developed. The results of an experimental test were also presented in Souza (2016) and were used to validate the model. Comparisons between the numerical and test results were performed in terms of the load versus displacement, load versus slip, and load versus strain curves, showing satisfactory agreement. In addition, a wide parametric study was performed, evaluating the influence of several parameters on the behaviour of the composite system: The strength of the steel beam, thickness of the web, thickness and width of the bottom flange of the steel beam and concrete cover thickness on top of the beam. The results indicated a great influence of the steel strength and the thickness of the bottom flange of the steel beam on the capacity of the composite floor. The remaining parameters had limited influences on the results.
Kataoka, Marcela N.;Friedrich, Juliana T.;El Debs, Ana Lucia H.C.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.3
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pp.351-362
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2017
This paper presents an experimental study on the behavior of composite floor slab comprised by a new steel sheet and concrete slab. The strength of composite slabs depends mainly on the strength of the connection between the steel sheet and concrete, which is denoted by longitudinal shear strength. The composite slabs have three main failures modes, failure by bending, vertical shear failure and longitudinal shear failure. These modes are based on the load versus deflection curves that are obtained in bending tests. The longitudinal shear failure is brittle due to the mechanical connection was not capable of transferring the shear force until the failure by bending occurs. The vertical shear failure is observed in slabs with short span, large heights and high concentrated loads subjected near the supports. In order to analyze the behavior of the composite slab with a new steel sheet, six bending tests were undertaken aiming to provide information on their longitudinal shear strength, and to assess the failure mechanisms of the proposed connections. Two groups of slabs were tested, one with 3000 mm in length and other with 1500 mm in length. The tested composite slabs showed satisfactory composite behavior and longitudinal shear resistance, as good as well, the analysis confirmed that the developed sheet is suitable for use in composite structures without damage to the global behavior.
Hosseinpour, Emad;Baharom, Shahrizan;Badaruzzaman, Wan Hamidon W.;Shariati, Mahdi;Jalali, Abdolrahim
Steel and Composite Structures
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v.26
no.4
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pp.485-499
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2018
In this paper, a hollow steel tube (HST) shear connector is proposed for use in a slim-floor system. The HST welded to a perforated steel beam web and embedded in concrete slab. A total of 10 push-out tests were conducted under static loading to investigate the mechanical behavior of the proposed HST connector. The variables were the shapes (circular, square and rectangular) and sizes of hollow steel tubes, and the compressive strength of the concrete. The failure mode was recorded as: concrete slab compressive failure under the steel tube and concrete tensile splitting failure, where no failure occurred in the HST. Test results show that the square shape HST in filled via concrete strength 40 MPa carried the highest shear load value, showing three times more than the reference specimens. It also recorded less slip behavior, and less compressive failure mode in concrete underneath the square hollow connector in comparison with the circular and rectangular HST connectors in both concrete strengths. The rectangular HST shows a 20% higher shear resistance with a longer width in the load direction in comparison with that in the smaller dimension. The energy absorption capacity values showed 23% and 18% improvements with the square HST rather than a headed shear stud when embedded in concrete strengths of 25 MPa and 40 MPa, respectively. Moreover, an analytical method was proposed and predicts the shear resistance of the HST shear connectors with a standard deviation of 0.14 considering the shape and size of the connectors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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