This paper aims to assess the seismic risk of a plane moment-resisting frames (MRFs) consisting of concrete-filled double skin steel tube (CFDST) columns and I-section steel beams. Firstly, three typical limit performance levels of CFDST structures are determined in accordance with the cyclic tests of seven CFDST joint specimens with 1/2-scaled and the limits stipulated in FEMA 356. Then, finite element (FE) models of the test specimens are built by considering with material degradation, nonlinear behavior of beam-column connections and panel zones. The mechanical behavior of the concrete material are modeled in compression stressed condition in trip-direction based on unified strength theory, and such numerical model were verified by tests. Besides, numerical models on 3, 6 and 9-story CFDST frames are established. Furthermore, the seismic responses of these models to earthquake excitations are investigated using nonlinear time-history analyses (NTHA), and the limits capacities are determined from incremental dynamic analyses (IDA). In addition, fragility curves are developed for these models associated with 10%/50yr and 2%/50yr events as defined in SAC project for the region on Los Angeles in the Unite State. Lastly, the annual probabilities of each limits and the collapse probabilities in 50 years for these models are calculated and compared. Such results provide risk information for the CFDST-MRFs based on the probabilistic risk assessment method.
This paper presents experimental and analytical studies to understand the behavior of crumb rubber concrete (CRC)-filled fiber reinforced polymer (FRP) and steel tube double skin column (DSC) and beam (DSB) members under cyclic loading. The main test variable was the percentage of rubber which ranged from 0 to 40%. For column members, different heights corresponding to different aspect ratios were examined to understand the to understand the effect of DSCs' slenderness on the cyclic response of the columns. the. The behavior of the specimens in terms of failure mode, strain development, energy dissipation, load-displacement response were presented and compared. The ability of the current provisions of the Australian codes to predict the capacity of such double skin members was also evaluated based on the test results. This study concluded that the reduction in the concrete strength was more severe at the material level compared to structural level. Also, as the load changed from axial compression in columns to pure moment in beams the negative effect of rubber percentage on the strength became less significant.
Ci, Junchang;Ahmed, Mizan;Tran, Viet-Linh;Jia, Hong;Chen, Shicai;Nguyen, Tan N.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.6
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pp.689-706
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2022
Thin-walled square concrete-filled double steel tubular (CFDST) columns composed of the inner circular tube filled with concrete can be used to carry the large axial loads or strengthen existing CFST columns in composite constructions. This paper reports an experimental program carried out on short square CFDST columns loaded concentrically. The influences of important column parameters on the post-buckling performance of such columns are investigated. Test results exhibit that the inner circular tube significantly improves the ultimate loads and the ductility of such columns compared to conventional concrete-filled steel tubular (CFST) and double-skin CFST (DCFST) columns with an inner void. A mathematical model developed is used to simulate the ultimate strengths and load-strain curves of such columns loaded axially. Furthermore, the ultimate strengths of such columns are predicted using existing codified design models for conventional CFST columns as well as the formulas proposed by previous researchers and compared against a large database comprising 500 CFDST columns. Lastly, an accurate artificial neural network model is developed for the practical applications of such columns under axial loading.
This article describes experimental and numerical analyses of eccentrically loaded over the axially loaded circular concrete filled double-skinned steel tubular (CFDST) short columns. Tests on circular CFDST short columns under eccentric and concentric loading were conducted to assess their responses to the frequent intensity of 5-30 mm at the interval of each 5 mm eccentric loading conditions with constant cross-sectional proportions and width-to-thickness ratios of the outside and internal tubes. The non-linear finite-element analysis of circular CFDST short columns of eccentrically loaded over the axially loaded was performed using the ABAQUS to predict the structural behavior and compare the concentric loading capacity over the various eccentric loading conditions. The comparison outcomes show that the axial compressive strength of the circular CDFST short columns was 2.38-32.86%, lesser than the concentrically loaded short column with the inner circular section. Also, the influence of computer simulation employed is more efficient in forecasting the experimentally examined performance of circular CFDST stub columns.
Concrete-filled-steel-tubular (CFST) columns have been well proven to improve effectively the strength, stiffness and ductility of concrete members. However, the central part of concrete in CFST columns is not fully utilised under uni-axial compression, bending and torsion. It has small contribution to both flexural and torsion strength, while it can be replaced effectively by steel with smaller area to give similar load-carrying capacity. Also, the confining pressure in CFST columns builds up slowly because the initial elastic dilation of concrete is small before micro-crackings of concrete are developed. From these observations, it is convinced that the central concrete can be effectively replaced by another hollow steel tube with smaller area to form double-skinned concrete-filled-steel-tubular (CFDST) columns. In this study, a series of uni-axial compression tests were carried out on CFDST and CFST columns with and without external steel rings. From the test results, it was observed that on average that the stiffness and elastic strength of CFDST columns are about 25.8% and 33.4% respectively larger than CFST columns with similar equivalent area. The averaged axial load-carrying capacity of CFDST columns is 7.8% higher than CFST columns. Lastly, a theoretical model that takes into account the confining effects of steel tube and external rings for predicting the uni-axial load-carrying capacity of CFDST columns is developed.
Currently, there is a lack of research in the design approach to avoid column wall failure in the concrete filled double skin steel tubular (CFDST) column-beam connections. In this paper, a finite element model has been developed and verified by available experimental data to analyze the failure mechanism of CFDST column-beam connections. Various finite element models with different column hollow ratios (χ) were established. The simulation result revealed that with increasing χ the failure mode gradually changed from yielding of end plate, to local failure of the column wall. Detailed parametric analyses were performed to study the failure mechanism of column wall for the CFDST column-beam connection, in which the strength of sandwiched concrete and steel tube and thickness of steel tube were incorporated. An analytical model was proposed to predict the moment resistance of the assembled connection considering the failure of column wall. The simulation results indicate that the proposed analytical model can provided a conservative prediction of the moment resistance. Finally, an upper bound value of χ was recommend to avoid column wall failure for CFDST column-beam connections.
The paper proposes two hybrid metaheuristic optimization and artificial neural network (ANN) methods for the close prediction of the ultimate axial compressive capacity of concentrically loaded concrete filled double skin steel tube (CFDST) columns. Two metaheuristic optimization, namely genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO), approaches enable the dynamic training architecture underlying an ANN model by optimizing the number and sizes of hidden layers as well as the weights and biases of the neurons, simultaneously. The former is termed as GA-ANN, and the latter as PSO-ANN. These techniques utilize the gradient-based optimization with Bayesian regularization that enhances the optimization process. The proposed GA-ANN and PSO-ANN methods construct the predictive ANNs from 125 available experimental datasets and present the superior performance over standard ANNs. Both the hybrid GA-ANN and PSO-ANN methods are encoded within a user-friendly graphical interface that can reliably map out the accurate ultimate axial compressive capacity of CFDST columns with various geometry and material parameters.
The present study aims to determine the structural response of full scaled rectangular columns under both of vertical and lateral loads using numerical methods. In the study, the composite columns considering full concrete filled circular steel tube (FCFRST) and concrete filled double-skin rectangular steel tube (CFDSRST) section types are numerically modelled using ANSYS software. Vertical and lateral loads are applied to models to assess the structural response of the composite elements. Also similar investigations are done for reinforced concrete rectangular (RCR) columns to compare the results with those of composite elements. The analyses of the systems are statically performed for both linear and nonlinear materials. In linear static analyses, both of vertical and lateral loads are applied to models as only one step. However in nonlinear analyses, while vertical loads are applied to model as only one step, lateral loads are applied to systems as step by step. The displacement and stress changes in some critical nodes and sections and contour diagrams are reported by graphs and figures. At the end of the study, it is demonstrated that the nonlinear models reveal more accurate result then those of linear models. Also, it is highlighted that composite columns provide more and more safety, ductility compared to reinforced concrete column.
The imperfect steel-concrete interface bonding is an important deficiency of the concrete-filled double skin tubular (CFDST) columns that led to separating concrete and steel surfaces under lateral loads and triggering buckling failure of the columns. To improve this issue, it is proposed in this study to use longitudinal and transverse steel stiffeners in CFDST columns. CFDST columns with different patterns of stiffeners embedded in the interior or exterior surfaces of the inner or outer tubes were analyzed under constant axial force and reversed cyclic loading. In the finite element modeling, the confinement effects of both inner and outer tubes on the compressive strength of concrete as well as the effect of discrete crack for concrete fracture were incorporated which give a realistic prediction of the seismic behavior of CFDST columns. Lateral strength, stiffness, ductility and energy absorption are evaluated based on the hysteresis loops. The results indicated that the stiffeners had determinant role on improving pinching behavior resulting from the outer tube's local buckling and opening/closing of the major tensile crack of concrete. The lateral strength, initial stiffness and energy absorption capacity of longitudinally stiffened columns with fixed-free end condition were increased by as much as 17%, 20% and 70%, respectively. The energy dissipation was accentuated up to 107% for fixed-guided end condition. The use of transverse stiffeners at the base of columns increased energy dissipation up to 35%. Axial load ratio, hollow ratio and concrete strength affecting the initial stiffness and lateral strength, had negligible effect of the energy dissipation of the columns. It was also found that the longitudinal stiffeners and transverse stiffeners have, respectively, negative and positive effects on ductility of CFDST columns. The conclusions, drawn from this study, can in turn, lead to the suggestion of some guidelines for the design of CFDST columns.
Although an uncoated CFT column with a high axial-force ratio can be used to secure fire resistance for two hours or less in low-rise buildings, it does not satisfy the three-hour-long fire resistance required in high-rise buildings. Accordingly, so that the uncoated CFT column could be used for high-rise buildings, additional measures for the improvement of its fire resistance should be proposed. In this regard, the use of a Double CFT column as a measure for improving the fire resistance of the uncoated CFT column was proposed in this paper. A fire resistance test was conducted on an uncoated CFT column and a Double CFT column in real scale, under a load. Through such test, the effect of the Double CFT column on fire resistance was evaluated and then compared with that of a variant shape of the cross-section of a steel column.
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