A theoretical research project is undertaken to develop integrated analysis and design tools for long span composite beams in modern high-rise buildings, and it aims to develop non-linear finite element models for practical design of composite beams. As the first paper in the series, this paper presents the development study as well as the calibration exercise of the proposed finite element models for simply supported composite beams. Other practical issues such as continuous composite beams, the provision of web openings for passage of building services, the partial continuity offered by the connections to columns as well as the behaviour of both unprotected and protected composite beams under fires will be reported separately. In this paper, details of the finite elements and the material models for both steel and reinforced concrete are first described, and finite element studies of composite beams with full details of test data are then presented. It should be noted that in the proposed finite element models, both steel beams and concrete slabs are modelled with two dimensional plane stress elements whose widths are assigned to be equal to the widths of concrete flanges, and the flange widths and the web thicknesses of steel beams as appropriate. Moreover, each shear connector is modelled with one horizontal spring and one vertical spring to simulate its longitudinal shear and pull-out actions based on measured load-slippage curves of push-out tests of shear connectors. The numerical results are then carefully analyzed and compared with the corresponding test results in terms of load mid-span deflection curves as well as load end-slippage curves. Other deformation characteristics of the composite beams such as stress and strain distributions across the composite cross-sections as well as distributions of shear forces and slippages in shear connectors along the beam spans are also examined in details. It is shown that the numerical results of the composite beams compare well with the test data in terms of various load-deformation characteristics along the entire deformation ranges. Hence, the proposed analysis and design tools are considered to be simple and yet effective for composite beams with practical geometrical dimensions and arrangements. Structural engineers are strongly encouraged to employ the models in their practical work to exploit the full advantages offered by composite construction.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.26
no.5
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pp.542-550
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2020
The use of high-strength aluminum alloys for ships and of shore structures has many benefits compared to carbon steels. Recently, high-strength aluminum alloys have been widely used in onshore and of shore industries, and they are widely used for the side shell structures of special-purpose ships. Their use in box girders of bridge structures and in the topside of fixed platforms is also becoming more widespread. Use of aluminum material can reduce fuel consumption by reducing the weight of the composite material through a weight composition ratio of 1/3 compared to carbon steel. The characteristics of the stress strain relationship of an aluminum structure are quite different from those of a steel structure, because of the influence of the welding[process heat affected zone (HAZ). The HAZ of aluminum is much wider than that of steel owing to its higher heat conductivity. In this study, by considering the HAZ generated by metal insert gas (MIG) welding, the buckling and final strength characteristics of an aluminum reinforcing plate against longitudinal compression loads were analyzed. MIG welding reduces both the buckling and ultimate strength, and the energy dissipation rate after initial yielding is high in the range of the HAZ being 15 mm, and then the difference is small when HAZ being 25 mm or more. Therefore, it is important to review and analyze the influence of the HAZ to estimate the structural behavior of the stiffened plate to which the aluminum alloy material is applied.
Nam, Jeong-Hee;Kim, Woo Seok;Kim, Ki Hyun;Kim, Yeon Bok
International Journal of Highway Engineering
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v.17
no.6
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pp.37-45
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2015
PURPOSES : The purpose of this study is to validate the design criteria of the concrete modular road system, which is a new semi-bridge-type concept road, through a comparison of numerical analysis results and actual loading test results under static axial loads. METHODS : To design the semi-bridge-type modular road, both the bridge design code and the concrete structural design code were adopted. The standard truck load (KL-510) was applied as the major traffic vehicle for the design loading condition. The dimension of the modular slab was designed in consideration of self-weight, axial load, environmental load, and combined loads, with ultimate limit state coefficients. The ANSYS APDL (2010) program was used for case studies of center and edge loading, and the analysis results were compared with the actual mock-up test results. RESULTS : A full-scale mock-up test was successfully conducted. The maximum longitudinal steel strains were measured as about 35 and 83.5 micro-strain (within elastic range) at center and edge loading locations, respectively, under a 100 kN dual-wheel loading condition by accelerating pavement tester. CONCLUSIONS : Based on the results of the comparison between the numerical analysis and the full-scale test, the maximum converted stress range at the edge location is 32~51% of the required standard flexural strength under the two times over-weight loading condition. In the case of edge loading, the maximum converted stresses from the Westergaard equation, the ANSYS APDL analysis, and the mock-up test are 1.95, 1.7, and 2.3 times of that of the center loading case, respectively. The primary reason for this difference is related to the assumption of the boundary conditions of the vertical connection between the slab module and the crossbeam module. Even though more research is required to fully define the boundary conditions, the proposed design criteria for the concrete modular road finally seems to be reasonable.
A hybrid precast concrete beam system with a simple rigid connection was proposed to compensate the limitations and shortcomings of the conventional bolt connection associated with the H-beams embedded into concrete beams. Three beam specimens with fixed both ends were tested under one-point top cyclic loading to explore the effectiveness of the developed hybrid beam system in transferring externally applied flexure to a column. The main parameter considered was the length ($L_s$) of H-beam, which was selected to be $0.25L_I$, $0.5L_I$, and $1.0L_I$, where $L_I$ is the distance from the support to the point of inflection. All beam specimens showed a better displacement ductility ratio than the reinforced concrete beams with the same longitudinal reinforcement index, indicating that the cyclic load-deflection curve and ductility were insignificantly affected by $L_s$. The continuous strain distribution along the beam length and the prediction of the ultimate load based on the collapse mechanism ascertained the structural adequacy of the developed rigid connection.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.16
no.5
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pp.88-97
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2012
The objective of this research is to investigate the seismic performance and flexure-shear behavior of square reinforced concrete bridge piers with solid and hollow cross section. Test specimens were nonseismically designed with the aspect ratio 4.5 Two reinforced concrete columns were tested under constant axial load while subjected to lateral load reversals with increasing drift levels. Longitudinal steel ratio was 2.217 percent. The transverse reinforcement ratio As/($s{\cdot}h$), corresponding to 58 percent of the minimum lateral reinforcement required by Korean Bridge Design Specifications for seismic detailing, which represent existing columns not designed by the current seismic design specifications or designed by limited ductility concept. This study are to provide quantitative reference data for the limited ductility design concept and tendency for performance or damage assessment based on the performance levels such as cracking, yielding, collapse, etc. Failure behavior, ultimate displacement/drift ratio, displacement ductility, response modification factor, equivalent viscous damping ratio, residual deformation, effective stiffness, plastic hinge length, strain of reinforcements and nonlinear analysis are investigated and discussed in this paper.
Park, Sang-Hyun;Shin, Hyun Kyoung;Kang, Eungsoon;Cho, Sang-Rai;Jang, Yong-Su;Baek, Nam-Ki;Park, Dong-Ki
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.57
no.4
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pp.182-190
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2020
This study reports a series of drop impact tests performed to generate denting damages on stiffened plates and their residual ultimate strength tests under axial compression. The models were fabricated of general structural steel, and each model has six longitudinal stiffeners and two transverse frames. Among six fabricated models, four were damaged, and two were left intact for reference. To investigate the effects of collision velocity and impact location on the extent of damage, the drop height and the impact location were changed in each impact test. After performing the collision tests, the ultimate axial compression tests were conducted to investigate the residual strengths of the damaged stiffened plates. Finite element analyses were also carried out using a commercial package Abaqus/Explicit. The material properties obtained from a quasi-static tensile tests were used, and the strain-rate sensitivity was considered. After importing the collision simulation results, the ultimate strength calculations were carried out and their results were compared with the test data for the validation of the finite element analysis method.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.6
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pp.1-9
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2015
Transverse steel bars are used in the plastic hinge zone of columns to insure adequate confinement, prevention of longitudinal bar buckling and ductile behavior. Fabrication and placement of rectangular hoops and cross-ties in columns are difficult to construct. Details of reinforcement for rectangular section require a lot of rectangular hoops and cross-ties. In this paper, to solve these problems, the new lateral confinement method using oblong hoop is proposed for the transverse confinement of the flared column. It can be the alternative for oblong cross-section and flared column with improved workability and cost-efficiency. The final objectives of this study are to suggest appropriate oblong hoop details and to provide quantitative reference data and tendency for seismic performance or damage assessment based on the drift levels such as residual deformation, elastic strain energy. This paper describes factors of seismic performance such as ultimate displacement/drift ratio, displacement ductility, response modification factor, equivalent viscous damping ratio and effective stiffness.
Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute
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v.5
no.3
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pp.282-289
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2017
The flexural behavior tests of UHPC segmental Box girder which has 160MPa compressive strength and 15.4m length were carried out. The test variables are area of prestressing wires, volume fraction of steel fibers and longitudinal reinforcing bars in upper flange and web. PS tendons which has 32 strands of 15.2mm diameter in lower flange, 24 strands and 14 strands in lower flange were arranged and volume fraction of 2%, 1.5% and 1.0% is used in box girder concrete. UHPFRC box girder which has 32 strands in lower flange showed the over reinforcement and brittle behavior. UHPFRC box girder which has 24 strands showed the similar peak load as 32 strands girder and ductile behavior as large deflection. UHPFRC box girder which has 14 strands showed half of the peak load of 24 strands box girder and ductile behavior. After the application of the formular for the reinforcement index to the behavior of the UHPFRC box girders, reinforcement index does not determine the characteristic of behavior of UHPFRC box girder exactly. So the index should consider the dimension precisely and modify the reference value corresponding to the 0.005 strain of the prestressing strands.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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