Composite columns made of high strength materials have been used in high-rise construction owing to its excellent structural performance resulting in smaller cross-sectional sizes. However, due to the limited understanding of its structural response, current design codes do not allow the use of high strength materials beyond a certain strength limit. This paper reports additional test data, analytical and numerical studies leading to a new design method to predict the ultimate resistance of composite columns made of high strength steel and high strength concrete. Based on previous study on high strength concrete filled steel tubular members and ongoing work on high strength concrete encased steel columns, this paper provides new findings and presents the feasibility of using high strength steel and high strength concrete for general double symmetric composite columns. A nonlinear finite element model has been developed to capture the composite beam-column behavior. The Eurocode 4 approach of designing composite columns is examined by comparing the test data with results obtained from code's predictions and finite element analysis, from which the validities of the concrete confinement effect and plastic design method are discussed. Eurocode 4 method is found to overestimate the resistance of concrete encased composite columns when ultra-high strength steel is used. Finally, a strain compatibility method is proposed as a modification of existing Eurocode 4 method to give reasonable prediction of the ultimate strength of concrete encased beam-columns with steel strength up to 900 MPa and concrete strength up to 100 MPa.
The interfacial bond strength of partially encased composite (PEC) structure tends to 0, therefore, the cast-in-place concrete theoretically cannot embody better composite effect than the fabricated structure. A total of 12 specimens were designed and experimented to investigate the energy dissipation and damage of fabricated PEC beam through unidirectional cyclic loading test. Because the concrete on both sides of the web was relatively independent, some specimens showed obvious asymmetric concrete damage, which led to specimens bearing torsion effect at the later stage of loading. Based on the concept of the ideal elastoplastic model of uniaxial tensile steel and the principle of equivalent energy dissipation, the energy dissipation ductility coefficient is proposed, which can simultaneously reflect the deformability and bearing capacity. In view of the whole deformation of the beam, the calculation formula of energy dissipation is put forward, and the energy dissipation and its proportion of shear-bending region and pure bending region are calculated respectively. The energy dissipation efficiency of the pure bending region is significantly higher than that of the shear-bending region. The setting of the screw arbors is conducive to improving the energy dissipation capacity of the specimens. Under the condition of setting the screw arbors and meeting the reasonable shear span ratio, reducing the concrete pouring thickness can lighten the deadweight of the component and improve the comprehensive benefit, and will not have an adverse impact on the energy dissipation capacity of the beam. A damage model is proposed to quantify the damage changes of PEC beams under cyclic load, which can accurately reflect the load damage and deformation damage.
Park, Hong Gun;Lee, Ho Jun;Park, Sung Soon;Kim, Sung Bae
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.26
no.1
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pp.55-68
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2014
In this study, the beam-to column connections of concrete-encased-and-filled steel tube columns were tested under cyclic loading. Two specimens using steel beams and two specimens using precast concrete beams were tested. The dimension of the column cross section was $670mm{\pm}670mm$. The beam depths were 488mm and 588mm for the steel beams and 700mm for the precast concrete beams. The longitudinal bar ratios of the precast concrete beams were 1.1% and 1.5%. For the connections to the steel beams, continuity plates were used in the tube columns. For the connections to the PC beams, couplers were used for beam re-bar connections. The test results showed that except for a specimen, deformation capacities of the specimens were greater than 4% rotation angle, which is the requirement for the Special Moment Frame. Particularly, specimens using precast concrete beam showed excellent performances in the strength, deformation, and energy dissipation.
In this study, a bending test with three encased composite beams were carried out and analyzed using FEM in order to find how chemical adhesion, interface interlock, friction and composite action by shear studs contribute to stiffness, strength and composite action in the interface of encased compo site beams. The test and results of the FEM analysis showed that the difference in the ultimate moment capacity of the composite beams with and without studs is under 10%. The reason is that the effect of chemical adhesion, interface interlock, and friction in the interface on the composite action is so high that the encased beams have a moment capacity above some defined magnitude. Also, the increment of moment capacity up to plastic moment is not large and the increase of linearly proportioned.
The advantages of composite construction are now well understood in terms of structural economy, good performance in service, and ease of construction. However, these conventional composite construction systems have some problems in application to steel framed buildings due to their large depth. So, in this study we executed an experimental test with the "Slim Floor"system which could reduce the overall depth of composite beam. Slim Floor system is a method of steel frame multi-story building construction in which the structural depth of each floor is minimized by incorporating the steel floor beams within the depth of the concrete floor slab. Presented herein is an experimental study that focuses on the flexural behaviour of the partially connected slim floor system with asymmetric steel beams encased in composite concrete slabs. Eight full-scale specimens were constructed and tested in this study with different steel beam height, slab width, with or without shear connection and concrete topping thickness. Observations from experiments indicated that the degree of shear connection without additional shear connection was $0.53{\sim}0.95$ times that of the full shear connection due to inherent mechnical and chemical bond stress.
In this study, an experiment was conducted on the Slim Floor system, using a hollow core PC slab, which could reduce the over-all depth of a composite beam. The Slim Floor system is a method used in steel frame multi-story building construction, in which the structural depth of each floor is minimized after incorporating the steel floor beams within the depth of the concrete floor slab. This experimental study focused on the flexural behavior of the partially connected Slim Floor system with asymmetric steel beams encased in hollow core PC slabs. Ten full-scale specimens were constructed and tested in this study, with different steel beam heights, hollow core PC slabs, slab widths, and PC slab bearings. Observations made in line with the experiments indicated that the degree of shear connection without additional shear connection was 0.48-0.98 times more than that of the full shear connection, due to inherent mechanical and chemical bond stress.
Slimfloor composite-beam systems could considerably reduce the story height of a building if the steel beam would be installed deep into the concrete floor slab. However, as the depth of the steel beam's installation is limited, it cannot cope with the various demands of building systems. To address this problem, a profiled steel beam section that can control the depth of the steel beam's and slabs' installation was developed in this study. Presented herein are the results of an experiment that was conducted focusing on the flexural behavior of the partially connected composite beams with profiled steel beams encased in composite concrete slabs. Five full-scale specimens with different slab types, with or without shear connection and reinforcement bars, were constructed and tested in this study. As a result, the shear bond stress without an additional shear connection was found to be $0.20{\sim}0.76N/mm^2$due to the inherent mechanical and chemical bond stress.
Du, Yong;Xiong, Ming-Xiang;Zhu, Jian;Liew, J.Y. Richard
Steel and Composite Structures
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v.33
no.6
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pp.849-864
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2019
One way to achieve sustainable construction is to reduce concrete consumption by use of more sustainable and higher strength concrete. Modern building codes do not cover the use of ultra-high strength concrete (UHSC) in the design of composite structures. Against such background, this paper investigates experimentally the mechanical properties of steel fibre-reinforced UHSC and then the structural behaviors of UHSC encased steel (CES) members under both concentric and eccentric compressions as well as pure bending. The effects of steel-fibre dosage and spacing of stirrups were studied, and the applicability of Eurocode 4 design approach was checked. The test results revealed that the strength of steel stirrups could not be fully utilized to provide confinement to the UHSC. The bond strength between UHSC and steel section was improved by adding the steel fibres into the UHSC. Reducing the spacing of stirrups or increasing the dosage of steel fibres was beneficial to prevent premature spalling of the concrete cover thus mobilize the steel section strength to achieve higher compressive capacity. Closer spacing of stirrups and adding 0.5% steel fibres in UHSC enhanced the post-peak ductility of CES columns. It is concluded that the code-specified reduction factors applied to the concrete strength and moment resistance can account for the loss of load capacity due to the premature spalling of concrete cover and partial yielding of the encased steel section.
Heo, Byung Wook;Kwak, Myong Keun;Bae, Kyu Woong;Jeong, Sang Min
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.3
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pp.247-258
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2007
This paper describes the results of an experimental study on the new type of encased composite beams that use deep deck plates, which could reduce the story height of buildings by controlling the bottom flange of steel beams. The profiled steel beam was thus developed. It was advantageous to the long span of the buildings. Seven full-scale specimens were constructed, and simply supported bending tests were conducted on the encased composite beams with different steel plate thicknesses, with and without shear studs, reinforcing bars, and web openings. The test results showed that the encased composite beams that were developed in this study had sufficient composite action without additional shear connectors due to their inherent shear-bond effects between the steel beams and concrete.
Concrete-encased steel (CES) beam, in which structural steel is encased in a reinforced concrete (RC) section, is widely applied in high-rise buildings as transfer beams due to its high load-carrying capacity, great stiffness, and good durability. However, these CES beams are prone to shear failure because of the low shear span-to-depth ratio and the heavy load. Due to the high load-carrying capacity and the brittle failure process of the shear failure, the accurate strength prediction of CES beams significantly influences the assessment of structural safety. In current design codes, design formulas for predicting the shear strength of CES beams are based on the so-called "superposition method". This method indicates that the shear strength of CES beams can be obtained by superposing the shear strengths of the RC part and the steel shape. Nevertheless, in some cases, this method yields errors on the unsafe side because the shear strengths of these two parts cannot be achieved simultaneously. This paper clarifies the conditions at which the superposition method does not hold true, and the shear strength of CES beams is investigated using a compatible truss-arch model. Considering the deformation compatibility between the steel shape and the RC part, the method to obtain the shear strength of CES beams is proposed. Finally, the proposed model is compared with other calculation methods from codes AISC 360 (USA, North America), Eurocode 4 (Europe), YB 9082 (China, Asia), JGJ 138 (China, Asia), and AS/NZS 2327 (Australia/New Zealand, Oceania) using the available test data consisting of 45 CES beams. The results indicate that the proposed model can predict the shear strength of CES beams with sufficient accuracy and safety. Without considering the deformation compatibility, the calculation methods from the codes AISC 360, Eurocode 4, YB 9082, JGJ 138, and AS/NZS 2327 lead to excessively conservative or unsafe predictions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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