Concrete Filled steel Tube(CFT) Column has an excellent structural capacities in accordance with an interaction effect between the steel tube and concrete. Recently, CFT structure has been focussed on a structural system for a high-rise buildings. The purpose of this study is to evaluate a strength and deformation capacity of CFT square columns subjected to constant axial and cyclic lateral load. The test parameters are diameters to thickness ratio of steel tube, axial load ratios, concrete strengths, load applying types and whether or not filled concrete. Total sixteen specimens are fabricated to clarify the energy absorbtion capacity of CFT columns. Experimental results are summarized for maximum strength, initial stiffness and deformation capacity.
Fernando L. Tres Junior;Guilherme F. Medeiros;Moacir Kripka
Steel and Composite Structures
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v.51
no.6
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pp.647-659
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2024
Given the increased interest in enhancing structural sustainability, the current study sought to apply multiobjective optimization to a footbridge with a steel-concrete composite I-girder structure. It was considered as objectives minimizing the cost for building the structure, the environmental impact assessed by CO2 emissions, and the vertical accelerations created by human-induced vibrations, with the goal of ensuring pedestrian comfort. Spans ranging from 15 to 25 meters were investigated. The resistance of the slab's concrete, the thickness of the slab, the dimensions of the welded steel I-profile, and the composite beam interaction degree were all evaluated as design variables. The optimization problem was handled using the Multiobjective Harmony Search (MOHS) metaheuristic algorithm. The optimization results were used to generate a Pareto front for each span, allowing us to assess the correlations between different objectives. By evaluating the values of design variables in relation to different levels of pedestrian comfort, it was identified optimal values that can be employed as a starting point in predimensioning of the type of structure analyzed. Based on the findings analysis, it is possible to highlight the relationship between the structure's cost and CO2 emission objectives, indicating that cost-effective solutions are also environmentally efficient. Pedestrian comfort improvement is especially feasible in smaller spans and from a medium to a maximum level of comfort, but it becomes expensive for larger spans or for increasing comfort from minimum to medium level.
Moscoso, Alvaro M.;Tamayo, Jorge L.P.;Morsch, Inacio B.
Computers and Concrete
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v.19
no.2
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pp.191-201
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2017
External pre-stressing is often used in strengthening or retrofitting of steel-concrete composite beams. In this way, a proper numerical model should be able to trace the completely nonlinear response of these structures at service and ultimate loads. A three dimensional finite element model based on shell elements for representing the concrete slab and the steel beam are used in this work. Partial interaction at the slab-beam interface can be taken into account by using special beam-column elements as shear connectors. External pre-stressed tendons are modeled by using one-dimensional catenary elements. Contact elements are included in the analysis to represent the slipping at the tendon-deviator locations. Validation of the numerical model is established by simulating seven pre-stressed steel-concrete composite beams with experimental results. The model predictions agree well with the experimental results in terms of collapse loads, path failures and cracking lengths at negative moment regions due to service loads. Finally, the accuracy of some simplified formulas found in the specialized literature to predict cracking lengths at interior supports at service loading and for the evaluation of ultimate bending moments is also examined in this work.
Oyawa, Walter O.;Gathimba, Naftary K.;Mang'uriu, Geoffrey N.
Steel and Composite Structures
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v.21
no.3
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pp.589-604
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2016
Kenya has recently experienced worrying collapse of buildings during construction largely attributable to the poor quality of in-situ concrete and poor workmanship. The situation in the country is further compounded by rapid deterioration of infrastructure, hence necessitating the development of alternative structural systems such as concrete filled unplasticized poly vinyl chloride (UPVC) tubes as columns. The work herein adds on to the very limited and scanty work on use of UPVC tubes in construction. This study presents the findings of experimental and analytical work which investigated the structural response of composite concrete filled UPVC tubes under compressive load regime. UPVC pipes are cheaper than steel tubes and can be used as formwork during construction and thereafter as an integral part of column. Key variables in this study included the strength of infill concrete, the length to diameter ratio (L/D) of the plastic tube, as well as the diameter to thickness ratio (D/2t) of the plastic tube. Plastic tubes having varying diameters and heights were used to confine concrete of different strengths. Results obtained in the study clearly demonstrate the effectiveness of UPVC tubes as a confining medium for infill concrete, attributable to enhanced composite interaction between the UPVC tube and infill concrete medium. It was determined that compressive strength of the composite column specimens increased with increased concrete strength while the same decreased with increased column height, albeit by a small margin since all the columns considered were short columns. Most importantly, the experimental confined concrete strength increased significantly when compared to unconfined concrete strength; the strength increased between 1.18 to 3.65 times the unconfined strength. It was noted that lower strength infill concrete had the highest confined strength possibly due to enhanced composite interaction with the confining UPVC tube. The study further proposes an analytical model for the determination of confined strength of concrete.
This paper presented an experimental study of the bond-slip behavior of reactive powder concrete (RPC)-filled square steel tube. A total of 18 short composite specimens were designed forstatic push-out test, and information on their failure patterns, load-slip behavior and bond strength was presented. The effects of width-to-thickness ratio, height-to-width ratio and the compressive strength of RPC on the bond behavior were discussed. The experimental results show that:(1) the push-out specimens remain intact and no visible local buckling appears on the steel tube, and the interfacial scratches are even more pronounced at the internal steel tube of loading end; (2) the bond load-slip curves with different width-to-thickness ratios can be divided into two types, and the main difference is whether the curves have a drop in load with increasing slip; (3) the bond strength decreases with the increase of the width-to-thickness ratio and height-width ratio, while the influence of RPC strength is not consistent; (4) the slippage has no definite correlation with bond strength and the influence of designed parameters on slippage is not evident. On the basis of the above analysis, the expressions of interface friction stress and mechanical interaction stress are determined by neglecting chemical adhesive force, and the calculation model of bond strength for RPC filled in square steel tube specimens is proposed. The theoretical results agree well with the experimental data.
In this study, we carried out nonlinear analysis according to various interface nonlinear models by interaction magnitude, and analyzed interface behavior such as distribution of tangential traction and relative slip in steel-concrete composite structure. As a result of this study, tangential traction and relative slip of interface is rapidly increased at the steel plate-concrete interface, especially at the neutral region, rather than tensile, as opposed to the T beam-concrete interface. In transverse direction, it has gradually reduced to go outside from loading position. In longitudinal direction, it was minimum at the central region near the loading point, maximum at 0.6-0.7L from support and gradually reduced as it nears support. Moreover, as the load is increased, the failure of interface gradually expands from the maximum tangential traction position to the entire region. It is expected to provide fundamentality for interface behavior and load-carrying mechanism, and for the design of bending and shear connection of steel-concrete composite structure.
When precast concrete infill panels are connected to steel frames at discrete locations, interaction at the structural interface is neither complete nor absent. The contribution of precast concrete infill panels to the lateral stiffness and strength of steel frames can be significant depending on the quality, quantity and location of the discrete interface connections. This paper presents preliminary experimental and finite element results of an investigation into the composite behaviour of a square steel frame with a precast concrete infill panel subject to lateral loading. The panel is connected at the corners to the ends of the top and bottom beams. The Frame-to-Panel-Connection, FPC4 between steel beam and concrete panel consists of two parts. A T-section with five achor bars welded to the top of the flange is cast in at the panel corner at a forty five degree angle. The triangularly shaped web of the T-section is reinforced against local buckling with a stiffener plate. The second part consists of a triangular gusset plate which is welded to the beam flange. Two bolts acting in shear connect the gusset plate to the web of the T-section. This way the connection can act in tension or compression. Experimental pull-out tests on individual connections allowed their load deflection characteristics to be established. A full scale experiment was performed on a one-storey one-bay 3 by 3 m infilled frame structure which was horizontally loaded at the top. With the characteristics of the frame-to-panel connections obtained from the experiments on individual connections, finite element analyses were performed on the infilled frame structures taking geometric and material non-linear behaviour of the structural components into account. The finite element model yields reasonably accurate results. This allows the model to be used for further parametric studies.
Brunesi, E.;Nascimbene, R.;Deyanova, M.;Pagani, C.;Zambelli, S.
Computers and Concrete
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v.15
no.6
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pp.951-972
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2015
The focus of the present study is to investigate both local and global behaviour of a precast concrete sandwich panel. The selected prototype consists of two reinforced concrete layers coupled by a system of cold-drawn steel profiles and one intermediate layer of insulating material. High-definition nonlinear finite element (FE) models, based on 3D brick and 2D interface elements, are used to assess the capacity of this technology under shear, tension and compression. Geometrical nonlinearities are accounted via large displacement-large strain formulation, whilst material nonlinearities are included, in the series of simulations, by means of Von Mises yielding criterion for steel elements and a classical total strain crack model for concrete; a bond-slip constitutive law is additionally adopted to reproduce steel profile-concrete layer interaction. First, constitutive models are calibrated on the basis of preliminary pull and pull-out tests for steel and concrete, respectively. Geometrically and materially nonlinear FE simulations are performed, in compliance with experimental tests, to validate the proposed modeling approach and characterize shear, compressive and tensile response of this system, in terms of global capacity curves and local stress/strain distributions. Based on these experimental and numerical data, the structural performance is then quantified under various loading conditions, aimed to reproduce the behaviour of this solution during production, transport, construction and service conditions.
A numerical model is presented to simulate the mechanical behaviour of composite steel and concrete columns taking into account the interaction between the hollow steel section and the concrete core. The model, based on displacement finite element methods with an Updated Lagrangian formulation, allows for geometrical and material non linearities combined with heating over all or a part of the section and column length. Comparisons of numerical calculations made using the model with 33 fire resistance tests show that the model is able to predict the fire resistance, expressed in minutes of fire exposure, of composite columns with a good accuracy.
The objective of this paper is to develop a simplified method that could predict the strength of concrete filled steel tube (CFT) columns applicable to high strength material under combined axial compression and flexure. The simplified method for determining the strength of CFT columns is based on the interaction curve of the section approached by a polygonal connection of the points. These points are determined by using symmetrical properties of the CFT section. For each point, a simple equation is proposed to determine the strength of the slender columns under compression and flexure. The simple equation was adjusted with results of elasto-plastic analysis results. Validation of the simplified method is undertaken by comparison with data from the test conducted at Kyushu University. These results confirm the fact that the simplified method could accurately and reliably predict the strength of CFT columns under combined axial compression and flexure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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