Recently, CFT column has been well-studied and reported on, because a CFT column has certain superior structural properties as well as good productivity, execution efficiency, and improved rigidity over existing columns. However, CFT column still has problems clearing the capacity evaluation between its steel tube member and high-strength concrete materials. Also, research on concrete has examined numerical values for high-strength concrete filled steel square tube columns (HCFT) to explain transformation performance (M-${\phi}$) when a short-column receives equal flexure-moment from axial stress. Moment-curvature formulas are proposed for HCFT columns based on analytic assumption described in this paper. This study investigated structural properties (capacity, curvature), through a series of experiments for HCFT with key parameters, such as strength of concrete mixed design (58.8 MPa), width-thickness ratio (D/t), buckling length to sectional width ratio (Lk/D) and concrete types (Zeolite, Fly-ash, Silica-fume) under eccentric loads. A comparative analysis executed for the AISC-LRFD, AIJ and Takanori Sato, etc. Design formulas to estimate the axial load (N)-moment (M)-curvature (${\phi}$) are proposed for HCFT columns based on tests results described in this paper.
콘크리트 충전 강관 기둥은 동일 단면의 비충전 강관 기둥에 비해 압축 내력이 우수하며 충전 콘크리트에 의한 강성의 향상, 국부좌굴 보강 효과에 의한 인성의 향상 등과 같은 구조적으로 우수한 점이 많다. 그러나. 강관과 충전 콘크리트의 상호작용 효과, 응력 분담율, 콘크리트의 파괴 양상 등에 대해서는 불분명한 점들이 많다. 본 연구는 일련의 실험을 통하여 고강도 콘크리트 충전 강관 기둥에 대해 재하 조건에 따른 구조적인 거동 특성에 대해 고찰하였다. 특히, 본 연구에서는 재하조건에 따른 강관과 콘크리트의 응력 분담율, 충전 콘크리트의 파괴 양상등에 대해 조사 하였다.
This paper presents the results of an experimental study on the behavior of a new type of composite FRP-concrete-steel member subjected to bi-axial eccentric loading. This new type of composite member is in the form of concrete-filled square steel tube slender columns with inner CFRP (carbon fiber-reinforced polymer) circular tube, composed of an inner CFRP tube and an outer steel tube with concrete filled in the two tubes. Tests on twenty-six specimens of high strength concrete-filled square steel tube columns with inner CFRP circular tube columns (HCFST-CFRP) were carried out. The parameters changed in the experiments include the slenderness ratio, eccentric ratio, concrete strength, steel ratio and CFRP ratio. The experimental results showed that the failure mode of HCFST-CFRP was similar to that of HCFST, and the specimens failed by local buckling because of the increase of lateral deflection. The steel tube and the CFRP worked together well before failure under bi-axial eccentric loading. Ductility of HCFST-CFRP was better than that of HCFST. The ultimate bearing capacity of test specimen was calculated with simplified formula, which agreed well with test results, and the simplified formula can be used to calculate the bearing capacity of HCFSTF within the parameters of this test.
본 연구에서는 수치해석에 의해 일정 축력을 받는 콘크리트충전 각형강관(각형 CFT) 기둥의 내화성능을 평가하였다. 본 연구에 앞서 각형 CFT 기둥의 실대 내화성능평가 실험을 수행하였으며, 이로써 무내화피복 상태에서 CFT 기둥 자체만의 내화성능을 평가하였다. 강관은 SPSR 400 강재를 사용하였으며 강관 내에는 27.5MPa와 37.8MPa 강도의 콘크리트를 사용하였다. 콘크리트 강도, 작용 하중비와 기둥단면 직경을 변수로 설정하였다. 수치해석에 의해 예측된 내화성능의 타당성을 검증하기 위하여 실험결과값과 비교 평가해 본 결과, 해석값과 실험값이 서로 잘 일치하거나 해석값이 약간 저평가하고 있음을 확인하였다. 따라서 본 수치해석에 의한 CFT기둥 내화성능 예측은 타당하다고 판단된다. 내화성능 영향인자의 분석 결과, 축력비($N/N_c$)가 동일한 경우 콘크리트 강도가 적을수록 내화성능이 우수하며 단면직경이 클수록 내화성능은 향상되었다.
Spiral spacing effect on axial compressive behavior of reinforced concrete filled steel tube (RCFST) stub column is experimentally investigated in this paper. A total of twenty specimens including sixteen square RCFST columns and four benchmarked conventional square concrete filled steel tube (CFST) columns are fabricated and tested. Test variables include spiral spacing (spiral ratio) and concrete strength. The failure modes, load versus displacement curves, compressive rigidity, axial compressive strength, and ductility of the specimens are obtained and analyzed. Especially, the effect of spiral spacing on axial compressive strength and ductility is investigated and discussed in detail. Test results show that heavily arranged spirals considerably increase the ultimate compressive strength but lightly arranged spirals have no obvious effect on the ultimate strength. In practical design, the effect of spirals on RCFST column strength should be considered only when spirals are heavily arranged. Spiral spacing has a considerable effect on increasing the post-peak ductility of RCFST columns. Decreasing of the spiral spacing considerably increases the post-peak ductility of the RCFSTs. When the concrete strength increases, ultimate strength increases but the ductility decreases, due to the brittleness of the higher strength concrete. Arranging spirals, even with a rather small amount of spirals, is an economical and easy solution for improving the ductility of RCFST columns with high-strength concrete. Ultimate compressive strengths of the columns are calculated according to the codes EC4 (2004), GB 50936 (2014), AIJ (2008), and ACI 318 (2014). The ultimate strength of RCFST stub columns can be most precisely evaluated using standard GB 50936 (2014) considering the effect of spiral confinement on core concrete.
This research examines the eccentric compression performance of composite columns composed of recycled aggregate concrete (RAC)-filled square steel tube and profile steel. A total of 17 specimens on the composite columns with different recycled coarse aggregate (RCA) replacement percentage, RAC strength, width to thickness ratio of square steel tube, profile steel ratio, eccentricity and slenderness ratio were subjected to eccentric compression tests. The failure process and characteristic of specimens under eccentric compression loading were observed in detail. The load-lateral deflection curves, load-train curves and strain distribution on the cross section of the composite columns were also obtained and described on the basis of test data. Results corroborate that the failure characteristics and modes of the specimens with different design parameters were basically similar under eccentric compression loads. The compression side of square steel tube yields first, followed by the compression side of profile steel. Finally, the RAC in the columns was crushed and the apparent local bulging of square steel tube was also observed, which meant that the composite column was damaged and failed. The composite columns under eccentric compression loading suffered from typical bending failure. Moreover, the eccentric bearing capacity and deformation of the specimens decreased as the RCA replacement percentage and width to thickness ratio of square steel tube increased, respectively. Slenderness ratio and eccentricity had a significantly adverse effect on the eccentric compression performance of composite columns. But overall, the composite columns generally had high-bearing capacity and good deformation. Meanwhile, the mechanism of the composite columns under eccentric compression loads was also analysed in detail, and the calculation formulas on the eccentric compression capacity of composite columns were proposed via the limit equilibrium analysis method. The calculation results of the eccentric compression capacity of columns are consistent with the test results, which verify the validity of the formulas, and the conclusions can serve as references for the engineering application of this kind of composite columns.
콘크리트충전 강관구조는 합성효과에 의해 강관과 콘크리트의 단점을 상호보완하여 역학적으로 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 그래서, 최근에는 초고층구조물시스템의 하나로 주목을 받고 있다. 본 연구의 목적은 일정축력과 반복 수평력을 받는 콘크리트 충전 각형강관기둥의 내력 및 변형성능을 평가하는 것이다. 이 실험의 변수로는 강관의 폭 두께비, 축력비, 콘크리트 강도, 하중가력방법과 콘크리트의 충전유무로 정하여 총 16개의 실험체를 제작하여 실험하였다. 실험결과로부터 실험체의 최대내력, 초기강성 및 변형성능에 대해 검토하였다.
구조, 시공 및 내화측면에서 우수한 콘크리트충전강관(CFT)부재에 대해서 구성재료의 강도가 높은 경우 즉, 콘크리트 압축강도가 100MPa 이상이면서 강관의 항복강도가 650MPa 이상인 경우에 대한 내화성능 평가실험 및 해석적 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 부재에 대해서 내화성능 거동을 파악하고자 ${\Box}-400{\times}400{\times}15$, 부재길이 3,000mm인 실물대 중심재하 내화실험을 행하였다. 실험변수는 중심축력을 5,000kN과 2,500kN로 하였다. 실험결과, 고강도 콘크리트의 폭렬 및 콘크리트 내부 균열에 의하여 축하중이 클수록 조기에 내력을 상실하였다. 또한, 유한차분법과 변형률적합조건을 이용한 비정상온도해석 및 응력해석을 수행하였으며, 고강도 재료모델은 Eurocode모델을 이용하였다. 해석모델은 시간-축변위 관계를 합리적으로 예측할 수 있었다.
This paper presents a finite element model which can simulate the axial compression behavior of steel reinforced recycled concrete (SRRC) filled square steel tube columns using the ABAQUS software. The analytical model was established by selecting the reasonable nonlinear analysis theory and the constitutive relationship of material in the columns. The nonlinear analysis of failure modes, deformation characteristics, stress nephogram, and load-strain curves of columns under axial loads was performed in detail. Meanwhile, the influences of recycled coarse aggregate (RCA) replacement percentage, profile steel ratio, width thickness ratio of square steel tube, RAC strength and slenderness ratio on the axial compression behavior of columns were also analyzed carefully. It shows that the results of finite element analysis are in good agreement with the experimental results, which verifies the validity of the analytical model. The axial bearing capacity of columns decreased with the increase of RCA replacement percentage. While the increase of wall thickness of square steel tube, profile steel ratio and RAC strength were all beneficial to improve the bearing capacity of columns. Additionally, the parameter analysis of finite element analysis on the columns was also carried out by using the above numerical model. In general, the SRRC filled square steel tube columns have high bearing capacity and good deformation ability. On the basis of the above analysis, a modified formula based on the American ANSI/AISC 360-10 was proposed to calculate the nominal axial bearing capacity of the columns under axial loads. The research conclusions can provide some references for the engineering application of this kind of columns.
Dai, Peng;Yang, Lu;Wang, Jie;Ning, Keyang;Gang, Yi
Steel and Composite Structures
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제42권1호
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pp.91-106
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2022
Concrete-filled square stainless steel tubes (CFSSST), which possess relatively large flexural stiffness, high corrosion resistance and require simple joint configurations and low maintenance cost, have a great potential in constructional applications. Despite that the use of stainless steel may result in high initial cost compared to their conventional carbon steel counterparts, the whole-life cost of CFSSST is however considered to be lower, which offers a competitive choice in engineering practice. In this paper, a comprehensive experimental and numerical program on 24 CFSSST stub column specimens, including 3 austenitic and 3 duplex stainless steel square hollow section (SHS) stub columns and 9 austenitic and 9 duplex CFSSST stub columns, has been carried out. Finite element (FE) models were developed to be used in parametric analysis to investigate the influence of the tube thickness and concrete strength on the ultimate capacities more accurately. Comparisons of the experimental and numerical results with the predictions made by design guides ACI 318, ANSI/AISC 360, Eurocode 4 and GB 50936 have been performed. It was found that these design methods generally give conservative predictions to the ultimate capacities of CFSSST stub columns. Improved calculation methods, developed based on the Continuous Strength Method, have been proposed to provide more accurate estimations of the ultimate resistances of CFSSST stub columns. The suitability of these proposals has been validated by comparison with the test results, where a good agreement between the predictions and the test results have been achieved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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