Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1992.04a
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pp.80-85
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1992
A nonlinear second-order analysis program that properly describes the nonlinear behavior of concrete was developed by using the layering technique. As the slenderness ratio of column is increased, the peaks of P-M curve lie remote from the section interaction diagram for the same eccentricities. But the peaks of P-M curve lie rather close to the section interaction diagram for very large eccentricities. In this study , the effects of compressive strength of concrete, longitudinal steel ratio, and yield strength of steel on second-order moment of concrete columns were analyzed. As the compressive strength of concrete and the yield strength of steel are increased, the ratio of peak axial force to maximum axial strength for concentrically loaded short column( Pu/Po) is decreased. But as the longitudinal steel ratio is increased, the ratio , Pu/Po increases.
The internal crack propagation, the failure mode and ultimate load bearing capacity of the steel-concrete-steel composite beam under the four-point-bend loading is investigated by the numerical simulation. The results of load - displacement curve and failure mode are in good agreement with experiment. In order to study the failure mechanism, the composite beam has been modeled, which part interface interaction between steel and concrete is considered. The results indicate that there are two failure modes: (a) When the strength of the interface is lower than that of the concrete, failure happens at the interface of steel and concrete; (b) When the strength of the interface is higher than that of the concrete, the failure modes is cohesion failure, i.e., and concrete are stripped because of the shear cracks at concrete edge.
In this study, nominal moment-axial load interaction diagrams, moment-curvature relationships, and ductility of rectangular hybrid beam-column concrete sections are analyzed using the modified Hognestad concrete model. The hybrid columns are primarily reinforced with steel bars with additional Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) control bars. Parameters investigated include amount, pattern, location, and material properties of concrete, steel, and GFRP. The study was implemented using a user defined comprehensive $MATLAB^{(R)}$ simulation model to find an efficient hybrid section design maximizing strength and ductility. Generating lower bond stresses than steel bars at the concrete interface, auxiliary GFRP bars minimize damage in the concrete core of beam-column sections. Their usage prevents excessive yielding of the core longitudinal bars during frequent moderate cyclic deformations, which leads to significant damage in the foundations of bridges or beam-column spliced sections where repair is difficult and expensive. Analytical results from this study shows that hybrid steel-GFRP composite concrete sections where GFRP is used as auxiliary bars show adequate ductility with a significant increase in strength. Results also compare different design parameters reaching a number of design recommendations for the proposed hybrid section.
The interaction between steel tube and concrete core is the key design considerations for concrete-filled steel tube columns. In a concrete-filled steel tube (CFST) column, the steel tube provides confinement to the concrete core which permits the composite action among the steel tube and the concrete. Due to construction faults and plastic shrinkage of concrete, the debonding separation at the steel-concrete interface weakens the confinement effect, and hence affects the behaviour and bearing capacity of the composite member. This study investigates the axial loading behavior of the concrete filled circular steel tube columns with debonding separation. A three-dimensional nonlinear finite element model of CFST composite columns with introduced debonding gap was developed. The results from the finite element analysis captured successfully the experimental behaviours. The calibrated finite element models were then utilized to assess the influence of concrete strength, steel yield stress and the steel-concrete ratio on the debonding behaviour. The findings indicate a likely significant drop in the load carrying capacity with the increase of the size of the debonding gap. A design formula is proposed to reduce the load carrying capacity with the presence of debonding separation.
Steel-concrete composite slabs represent a very efficient floor solution combining the key performance of two different materials: the steel and the concrete. Composite slab response is governed by the degree of the interaction between these two materials, mainly depending by chemical and mechanical bond. The latter is characterized by a limited degree of confinement if compared with the one of the rebars in reinforced concrete members while the former is remarkably influenced by the type of concrete and the roughness of the profiled surface, frequently lubricated during the cold-forming manufacturing processes. Indeed, owing to the impossibility to guarantee a full interaction between the two materials, a key parameter governing slab design is represented by the horizontal shear-bond strength, which should be always experimentally estimated. According to EC4, the design of the slab bending resistance, is based on the simplified assumption that the decking sheet is totally yielded, i.e., always in plastic range, despite experimental and numerical researches demonstrate that a large part of the steel deck resists in elastic range when longitudinal shear collapse is achieved. In the paper, the limit strain for composite slab, which corresponds to the slip, i.e., the debonding between the two materials, has been appraised by means of a refined numerical method used for the simulation of experimental results obtained on 8 different composite slab types. In total, 71 specimens have been considered, differing for the properties of the materials, cross-section of the trapezoidal profiled metal sheets and specimen lengths.
In the case of seismic-resistant composite dual moment resisting and eccentrically braced frames, the current design practice is to avoid the disposition of shear connectors in the expected plastic zones, and consequently to consider a symmetric moment or shear plastic hinges, which occur only in the steel beam or link. Even without connectors, the real behavior of the hinge may be different from the symmetric assumption since the reinforced concrete slab is connected to the steel element close to the hinge locations, and also due to contact friction between the concrete slab and the steel element. At a larger level, the structural response in the case of important seismic motions depends directly on the elasto-plastic behavior of elements and hinges. The numerical investigation presented in this study summarizes the results of elasto-plastic analyses of several steel frames, considering the interaction of the steel beam with the concrete slab. Several parameters, such as the inter-story drift, plastic rotation requirements and behavior factors q were monitored. In order to obtain accurate results, adequate models of plastic hinges are proposed for both the composite short link and composite reduced beam sections.
In the horizontally curved bridges, girders are subjected to the combined action of vertical bending and torsion due to their curvatures without any eccentric loads. As subjected to bending and torsion, the ultimate strength of steel/concrete composite box girders are limited by the diagonal tensile stress in the deck concrete induced by the St. Venant torsion. To determine the ultimate strength of composite box girders in bending and torsion and their interactions, this study conducted a 3-dimensional FEA and classical strength of materials investigation. Using ABAQUS, the FEA fully utilized advanced nonlinear analysis techniques simulating material/geometrical nonlinearity and post-cracking behaviors. The ultimate strength from numerical data were compared with theoretically derived values. Concurrent compressive stresses in the concrete deck improve the shear-resisting capacity of concrete, thereby resulting in an increased torsional resistance of the composite box girder in positive bending. The proposed interaction equation is very simple yet it provides a rational lower bound in determining the ultimate strength of concrete/steel composite box girders.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.41
no.6
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pp.627-635
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2021
The fire damage and structural performance of a steel-concrete composite superstructure under a highway bridge exposed to fire loading was evaluated. To enhance the accuracy and efficiency of the numerical analysis, a proposed fluid-structure interaction fire analysis method was implemented in Ansys Fluent and Ansys Mechanical. The temperature distribution and performance evaluation of the steel-concrete composite superstructure according to the vertical distance from the fire source to the bottom flange were evaluated using the proposed analysis method. From the analysis, the temperature of the concrete slab and the bottom flange of the steel-concrete composite superstructure exceeded the critical temperature. Also, when the vertical distance from the fire source was 13 m or greater, the fire damage of the steel-concrete composite superstructure was found to within a safe limit.
This paper presents a finite element (FE) simulation of eccentrically loaded lightweight aggregate concrete-encased steel (LACES) columns with H-shaped steel sections, analytical equations are also established to estimate the columns' axial and bending moment interaction capacities. The validity of the proposed models is checked by comparing the results with experimental data. Good agreements between the test and proposed models' results are found with acceptable agreements. Moreover, design parameters, including the lightweight aggregate concrete (LWAC) strength, eccentricity, column slenderness ratio, and confinement, are studied using the FE analysis, and their efficiency factors are discussed. The results show that the ultimate axial capacity of the LACES composite columns subjected to eccentric loading is negatively affected by the increase in the columns' height, but it is positively affected by the increase of the confinement. Increasing the eccentricity and columns' height reduced the columns'stiffness. In addition, the ultimate capacity of the LACES column is significantly influenced by the LWAC strength and eccentricity, where the ultimate capacity of the LACES column is significantly increased by increasing LWAC strength, and it is remarkably decreased by increasing the eccentricity. When the eccentricity changed from zero to 70 mm, the ultimate axial capacity and stiffness decreased by 67.97% and 63.56%, respectively.
This paper presents results from an analytical investigation of the behavior of steel reinforced concrete circular column sections with additional Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRP) bars. The primary application of this composite section is to relocate the plastic hinge region from the column-footing joint where repair is difficult and expensive. Mainly, the study focuses on the development of the full nominal moment-axial load (M-P) interaction diagrams for hybrid concrete sections, reinforced with steel bars as primary reinforcement, and GFRP as auxiliary control bars. A large parametric study of circular steel reinforced concrete members were undertaken using a purpose-built MATLAB(c) code. The parameters considered were amount, location, dimensions and mechanical properties of steel, GFRP and concrete. The results indicate that the plastic hinge was indeed shifted to a less critical and congested region, thus facilitating cost-effective repair. Moreover, the reinforced concrete steel-GFRP section exhibited high strength and good ductility.
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