This paper introduces an improved numerical model which can consider the bond-slip effect in steel-concrete composite structures without taking double nodes to minimize the complexity in constructing a finite element model. On the basis of a linear partial interaction theory and the use of the bond link element, the slip behavior is defined and the equivalent modulus of elasticity and yield strength for steel is derived. A solution procedure to evaluate the slip behavior along the interface of the composite flexural members is also proposed. After constructing the transfer matrix relation at an element level, successive application of the constructed relation is conducted from the first element to the last element with the compatibility condition and equilibrium equations at each node. Finally, correlation studies between numerical results and experimental data are conducted with the objective of establishing the validity of the proposed numerical model.
This paper investigates the deflection of the steel-concrete composite truss beam (SCCTB) at the serviceability limit state. A precise solution for the distributed uplift force of the SCCTB, considering five different loading types, is first derived based on the differential and equilibrium equations. Furthermore, its approximate solution is proposed for practical applications. Subsequently, the shear slip effect corresponding to the shear stiffness of the stub connectors, uplift effect corresponding to the axial stiffness of the stub connectors and shear effect corresponding to the brace deformation of the steel truss are considered in the derivation of deflection. Formulae for estimating the SCCTB deflection are proposed. Moreover, based on the proposed formulae, a practical design method is developed to provide an effective and convenient tool for designers to estimate the SCCTB deflection. Flexure tests are carried out on three SCCTBs. It is observed that the SCCTB stiffness and ultimate load increase with an increase in the shear interaction factor. Finally, the reliability of the practical design method is accurately verified based on the available experimental results.
Steel jacketing technique is a retrofitting method often employed for static and seismic strengthening of existing reinforced concrete columns. When no continuity is given to angle chords as they cross the floor, the jacket is considered "indirectly loaded", which means that the load acting on the column is transferred partially to the external jacket through interface shear stresses. The evaluation of load transfer mechanism between core and jacket is not straightforward to be modeled, due to the absence of knowledge of a proper constitutive law of the concrete-to-steel interface and to the difficulties in taking into account the mechanical nonlinearities of materials. This paper presents an incremental analytical/numerical approach for evaluating the compressive response of RC columns strengthened with indirectly loaded jackets. The approach allows calculating shear stresses at the interface between core and jacket and predicting the axial capacity of retrofitted columns. A proper constitutive law is proposed for modelling the interaction between the steel and the concrete. Based on plasticity rules and the non-linear behaviour of materials, the column is divided into portions. After a detailed parametric analysis, comparisons are finally made by theoretical predictions and experimental results available in the literature, showing a good agreement.
One of the main disadvantages of Ultra High Performance Concrete exists in the large suggested value of UHPC ingredients. The purpose of this study was to find the models mechanical properties which included a 7, 14 and 28-day compressive strength test, a 28-day splitting tensile and modulus of rupture test for Ultra High Performance Concrete, as well as, a study on the interaction and correlation of five variables that includes silica fume amount (SF), cement 42.5 amount, steel fiber amount, superplasticizer amount (SP), and w/c mechanical properties of UHPC. The response surface methodology was analyzed between the variables and responses. The relationships and mathematical models in terms of coded variables were established by ANOVA. The validity of models were checked by experimental values. The offered models are valid for mixes with the fraction proportion of fine aggregate as; 0.70-1.30 cement amount, 0.15-0.30 silica fume, 0.04-0.08 superplasticizer, 0.10-0.20 steel fiber, and 0.18-0.32 water binder ratio.
The novel form of composite walling system consists of two skins of profiled steel sheeting with an in-fill of concrete. Such walling system can be used as shear elements in steel framed building subjected to lateral load. This paper presents the results of small-scale model tests on composite wall and its components manufactured from very thin sheeting and micro-concrete tested under monotonic and cyclic shear loading conditions. The heavily instrumented small-scale tests provided information on the load-deformation response, strength, stiffness, strain condition, sheet-concrete interaction and failure modes. Analytical models for shear strength and stiffness are derived with some modification factor to take into account the effect of quasi-static cycling loading. The performance of design equations is validated through experimental results.
With steel and concrete composite beams, the incomplete interaction between the steel and the concrete slab leads to an appreciable increase in beam deflections. Moreover, encased composite beams using a deep deck plate or hollow-core PC slabs are critical to deflection due to their inherent geometry. In this paper, by using the calculation tools that were developed for a previous study on the deflection of encased composite beams considering the slip effects and load-slip curve, the shear bond stress and additional deflection induced due to interface slip of the encased composite beam are presented. It was found that the slip effects significantly contribute to the encased composite beam deflections and result in stiffness reduction of up to 30% compared to that of full shear interaction beams. The predicted results were compared with the measurement of 18 specimens tested in this study, and comparisons show a high degree of accuracy, within 6%.
8 steel reinforced concrete (SRC) columns with the encased steel ratio of 13.12% and 15.04% respectively were tested under the test axial load ratio of 0.33-0.80 and the low-frequency cyclic lateral loading. The cross sectional area of composite columns was $500mm{\times}500mm$. The mechanical properties, failure modes and deformabilities were studied. All the specimens produced flexure failure subject to combined axial force, bending moment and shear. Force-displacement hysteretic curves, strain curves of encased steels and rebars were obtained. The interaction behavior of encased steel and concrete were verified. The hysteretic curves of columns were plump in shapes. Hysteresis loops were almost coincident under the same levels of lateral loading, and bearing capacities did not change much, which indicated that the columns had good energy-dissipation performance and seismic capacity. Based on the equilibrium equation, the suggested practical calculation method could accurately predict the flexural strength of SRC columns with cross-shaped section encased steel. The obtained M-N curves of SRC columns can be used as references for further studies.
Cas, Bojan;Bratina, Sebastjan;Saje, Miran;Planinc, Igor
Steel and Composite Structures
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v.4
no.6
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pp.489-507
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2004
The flexibility of the connection between steel and concrete largely influences the global behaviour of the composite beam. Therefore the way the connection is modelled is the key issue in its structural analysis. Here we present a new strain-based finite element formulation in which we consider non-linear material and contact models. The computational efficiency and accuracy of the formulation is proved with the comparison of our numerical results with the experimental results of Abdel Aziz (1986) obtained in a full-scale laboratory test. The shear connectors are assumed to follow a non-linear load-slip relationship proposed by Ollgaard et al. (1971). We introduce the notion of the generalized slip, which offers a better physical interpretation of the behaviour of the contact and gives an additional material slip parameter. An excellent agreement of experimental and numerical results is obtained, using only a few finite elements. This demonstrates that the present numerical approach is appropriate for the evaluation of behaviour of planar composite beams and perfect for practical calculations.
Concrete-filled double skinned steel tubular (CFDST) columns have been used to construct modern structures such as tall buildings and bridges as well as infrastructures as they provide better, lesser weight, and greater stiffness in structural performance than conventional reinforced concrete or steel members. Different shapes of CFDST columns may be needed to satisfy the architectural and aesthetic criteria. In the study, three-dimensional FE simulations of circular and elliptical CFDST columns under axial compression were developed and verified through the experimental test data from the perspectives of full load-displacement histories, ultimate axial strengths, and failure modes. The verified FE models were used to investigate and compare the structural performance of CFDST columns with circular and elliptical cross-section shapes by evaluating the overall load-deformation curves, interaction stress-deformation responses, and composite actions of the column. At last, the accuracy of available design models in predicting the ultimate axial strengths of CFST columns were investigated. Research results showed that circular and elliptical CFDST column behaviors were generally similar. The overall structural performance of circular CFDST columns was relatively improved compared to the elliptical CFDST column.
Nassif, Nadia;Al-Sadoon, Zaid A.;Hamad, Khaled;Altoubat, Salah
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.5
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pp.671-680
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2022
The shear capacity of beams is an essential parameter in designing beams carrying shear loads. Precise estimation of the ultimate shear capacity typically requires comprehensive calculation methods. For steel fiber reinforced concrete (SFRC) beams, traditional design methods may not accurately predict the interaction between different parameters affecting ultimate shear capacity. In this study, artificial neural network (ANN) modeling was utilized to predict the ultimate shear capacity of SFRC beams using ten input parameters. The results demonstrated that the ANN with 30 neurons had the best performance based on the values of root mean square error (RMSE) and coefficient of determination (R2) compared to other ANN models with different neurons. Analysis of the ANN model has shown that the clear shear span to depth ratio significantly affects the predicted ultimate shear capacity, followed by the reinforcement steel tensile strength and steel fiber tensile strength. Moreover, a Genetic Algorithm (GA) was used to optimize the ANN model's input parameters, resulting in the least cost for the SFRC beams. Results have shown that SFRC beams' cost increased with the clear span to depth ratio. Increasing the clear span to depth ratio has increased the depth, height, steel, and fiber ratio needed to support the SFRC beams against shear failures. This study approach is considered among the earliest in the field of SFRC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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