Prestressed concrete bridges with corrugated steel webs have emerged as one of the promising bridge forms. This structural form provides excellent structural efficiency with the concrete flanges primarily taking bending and the corrugated steel webs primarily taking shear. In the design of this type of bridges, the flexural ductility and deformability as well as strength need to be carefully examined. Evaluation of these safety-related attributes requires the estimation of full-range behaviour. In this study, the full-range behaviour of beam sections with corrugated steel webs is evaluated by means of a nonlinear analytical method which uses the actual stress-strain curves of the materials and considers the path-dependence of materials. In view of the different behaviour of components and the large shear deformation of corrugated steel webs with negligible longitudinal stiffness, the assumption that plane sections remain plane may no longer be valid. The interaction between shear deformation and local bending of flanges may cause additional stress in flanges, which is considered in this study. The numerical results obtained are compared with experimental results for verification. A parametric study is undertaken to clarify the effects of various parameters on ductility, deformability and strength.
To increase the stiffness and strength of a reinforced concrete shear wall, steel plates are bolted to the sides of the wall. The general behavior of a composite concrete-steel shear wall is dependent on the buckling of the steel plates that should be prevented. In this paper, the unilateral buckling of steel plates of a composite shear wall is studied using the Rayleigh-Ritz method. To model the unilateral buckling of steel plate, the restraining concrete wall is described as an elastic foundation with high stiffness in compression and zero stiffness in tension. To consider the effect of bolt connections on the plate's buckling, a constrained optimization problem is solved by using Lagrange multipliers method. This process is used to obtain the critical elastic local buckling coefficients of unilaterally-restrained steel plates with various numbers of bolts, subjected to pure compression, bending and shear loading, and the interaction between them. Using these results, the spacing between shear bolts in composite steel plate shear walls is estimated and compared with the results of the AISC seismic provisions (2016). The results show that the AISC seismic provisions(2016) are overly conservative in obtaining the spacing between shear bolts.
A series of tests was performed to consider the behaviour of short composite columns under axial compressive loading, covering a range of S275 and S355 grade steel square hollow section filled with normal and high strength concrete. The interaction between the steel and the concrete component is considered and the results show that concrete shrinkage has an effect on the axial strength of the column. Comparisons between Eurocode 4, ACI-318 and the Australian Standards with the findings of this research were made. Result showed the equation used by the ACI-318 and the proposed Australian Standards gave better predication for the axial capacity of concrete filled SHS columns than the Eurocode 4.
This paper introduces an improved design equation to evaluate the resisting capacity of circular reinforced concrete (RC) columns partially strengthened with outer steel tube. When RC column members are required to be strengthened according to the change in the loadings considered and/or the deterioration progress in columns, wrapping up RC column with steel circular tube, which takes the form of concrete filled steel tube (CFST), has been popularly considered because of its structural advantage induced from the confinement effect. However, the relatively high construction cost of steel tube is restricting its use to the required region, while deriving the shape of a partial CFST column. To evaluate the resisting capacity of a partial CFST column, numerical analyses need to be performed, and a numerical model proposed in the previous study for the numerical analysis of full CFST columns is used to conduct parametric studies for the introduction of a design equation. The bond-slip effect developed along the interface between the in-filled concrete and the exterior steel tube is taken into consideration and the validity of the numerical model has been established through correlation studies between experimental data and numerical results for partial CFST circular columns. Moreover, parametric studies make it possible to introduce a design equation for determining the optimum length of outer steel tube which produces partial CFST circular columns.
Human-induced vibration could present a serious serviceability problem for large-span and/or lightweight floors using the high-strength material. This paper presents the results of heel-drop, jumping, and walking tests on a large-span composite steel rebar truss-reinforced concrete (CSBTRC) floor. The effects of human activities on the floor vibration behavior were investigated considering the parameters of peak acceleration, root-mean-square acceleration, maximum transient vibration value (MTVV), fundamental frequency, and damping ratio. The measured field test data were validated with the finite element and theoretical analysis results. A comprehensive comparison between the test results and current design codes was carried out. Based on the classical plate theory, a rational and simplified formula for determining the fundamental frequency for the CSBTRC floor is derived. Secondly, appropriate coefficients (βrp) correlating the MTVV with peak acceleration are suggested for heel-drop, jumping, and walking excitations. Lastly, the linear oscillator model (LOM) is adopted to establish the governing equations for the human-structure interaction (HSI). The dynamic characteristics of the LOM (sprung mass, equivalent stiffness, and equivalent damping ratio) are determined by comparing the theoretical and experimental acceleration responses. The HSI effect will increase the acceleration response.
Dias, Maiga M.;Tamayo, Jorge L.P.;Morsch, Inacio B.;Awruch, Armando M.
Computers and Concrete
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v.15
no.4
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pp.687-707
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2015
A finite element computer code for short-term analysis of steel-concrete composite structures is extended to study long-term effects under service loads, in the present work. Long-term effects are important in engineering design because they influence stress and strain distribution of the structural system and therefore contribute to the increment of deflections in these structures. For creep analysis, a rheological model based on a Kelvin chain, with elements placed in series, was employed. The parameters of the Kelvin chain were obtained using Dirichlet series. Creep and shrinkage models, proposed by the CEB FIP 90, were used. The shear-lag phenomenon that takes place at the concrete slab is usually neglected or not properly taken into account in the formulation of beam-column finite elements. Therefore, in this work, a three-dimensional numerical model based on the assemblage of shell finite elements for representing the steel beam and the concrete slab is used. Stud shear connectors are represented for special beam-column elements to simulate the partial interaction at the slab-beam interface. The two-dimensional representation of the concrete slab permits to capture the non-uniform shear stress distribution in the horizontal plane of the slab due to shear-lag phenomenon. The model is validated with experimental results of two full-scale continuous composite beams previously studied by other authors. Results are given in terms of displacements, bending moments and cracking patterns in order to shown the influence of long-term effects in the structural response and also the potentiality of the present numerical code.
Generally, in a steel-concrete composite gilder, the shear connector which was constructed between concrete deck and steel girder should have enough stiffness to behave as one body, because the conformity between plate and concrete deck is influences by the stiffness and spacing of the shear connectors. If the stiffness of shear connectors are insufficient, slip would happen at the contact surface. Partial interaction is the case that takes account of slips. In this paper, an easy method is presented to evaluate the stiffness or spacing of the shear connector according to the degree of imperfection without difficult calculations for a composite gilder with partial interaction. Also, the horizontal shearing force applied to the shear connector and the longitudinal axial force, which is occurs at contact surface between concrete deck and steel girder, have been presented in a simple influence line that is various to the parameters of sectional properties, degree of imperfection and applied load points. Furthermore, through the case study, it determined the relationships between the degree of imperfection and the follows 1) spring constants 2) axial force and horizontal shearing force 3) stress and neutral axis by using the partial differential equation based on Newmark's Partial Interaction Theory.
Developed from conventional concrete filled steel tubular (CFST) members, concrete-encased CFST has attracted growing attention in building and bridge practices. In actual construction, the inner CFST is erected prior to the casting of the outer reinforced concrete part to support the construction preload, after which the whole composite member is under sustained service load. The complex loading sequence leads to highly nonlinear material interaction and consequently complicated structural performance. This paper studies the full-range behaviour of concrete-encased CFST columns with initial preload on inner CFST followed by sustained service load over the whole composite section. Validated against the reported data obtained from specifically designed tests, a finite element analysis model is developed to investigate the detailed structural behaviour in terms of ultimate strength, load distribution, material interaction and strain development. Parametric analysis is then carried out to evaluate the impact of significant factors on the structural behaviour of the composite columns. Finally, a simplified design method for estimating the sectional capacity of concrete-encased CFST is proposed, with the combined influences of construction preload and sustained service load being taken into account. The feasibility of the developed method is validated against both the test data and the simulation results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.6
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pp.1-10
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2011
This study presents the results of parametric studies of the P-M interaction diagram of hollow prestressed concrete bridge columns. Among the numerous parameters, this study concentrates on concrete compressive strength, prestressing steel reinforcement ratio, effective prestress, the Ds/Do ratio, and the Di/Do ratio. The strength and ductility of hollow prestressed concrete bridge columns were evaluated through quasistatic tests. The P-M interaction diagrams from the codes were different from that of the results, which were in good agreement with AASHTO-LRFD. Nondimensionalized P-M interaction diagrams were developed to predict the design resistance of hollow prestressed concrete bridge columns.
Many slab-on-girder bridges around the world are being assessed because they are approaching the end of their anticipated design lives or codes are permitting higher allowable loads. Current analytical techniques assume that the concrete and steel components act independently, typically requiring full-scale load testing to more accurately predict the remaining strength or endurance of the structure. However, many of the load tests carried out on these types of bridges would be unnecessary if the degree of interaction resulting from friction at the steel-concrete interface could be adequately modeled. Experimental testing confirmed that interface friction has a negligible effect on the flexural capacity of a slab-on-girder beam however, it also showed that interface friction is significant under serviceability loading. This has led to the development of an improved analytical technique which is presented in this paper and referred to as the slab-on-girder mixed analysis service load assessment approach.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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