This paper presents the seismic performance of seven beam-column joints with an eccentricity between beam depths under cyclic loadings. The failure modes of the panel zone were divided into two types. One was the shear force failure that appeared in the entire panel zone (SFEPZ), the other was the shear force failure that appeared in the partial panel zone (SFPPZ). Seven finite element models were established using multi-scale methods. Compared with the experimental specimens, the hysteretic loops exhibited a similar trend. The multi-scale models could accurately simulate the experimental results. Furthermore, the calculation formulas of yield and plastic shear capacity of unequal-depth joints with outer annular stiffener were proposed.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.8
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pp.4048-4057
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2013
In the composite beam subjected to the hogging moment it is very difficult to evaluate the influence of the reduction of slab stiffness due to cracks and their development on the horizontal shear behavior of shear connection. In this study, a 3D FE model is developed by which one can analyze the composite action in the composite beam subjected to the hogging moment. In this FE model, each structural member and shear connection are modeled as similar as possible to details of the composite beam. Bending behaviour, and composite action which could not be analyzed using the existing 1D or 2D FE model are investigated by the 3D model. Analysis results show that the reinforcement ratio and crack behaviour of the slab are main factors which exert a strong influence on the composite action. According to the analysis results about load-slip behavior, initial crack of slab and yielding of rebars have a influence on the slip stiffness of shear connection. The existing experimental results, that the design of partial interaction can be more efficient in designing of shear connection of the composite beams, are indirectly verified by the FE analysis.
Composite steel-concrete beams are used frequently in situations where axial forces are introduced. Some examples include the use in cable-stayed bridges or inclined members in stadia and bridge approach spans. In these situations, the beam may be subjected to any combination of flexure and axial load. However, modern steel and composite construction codes currently do not address the effects of these combined actions. This study presents an analysis of composite beams subjected to combined loadings. An analytical model is developed based on a cross-sectional analysis method using a strategy of successive iterations. Results derived from the model show an excellent agreement with existing experimental results. A parametric study is conducted to investigate the effect of axial load on the flexural strength of composite beams. The parametric study is then extended to a number of section sizes and employs various degrees of shear connection. Design models are proposed for estimating the flexural strength of an axially loaded member with full and partial shear connection.
Until now, a comparative study on fully and partially-connected steel shear walls leading to enhancing strength and stiffness reduction of partially-connected steel plate shear wall structures has not been reported. In this paper a number of 4-story and 8-story steel plate shear walls, are considered with three different connection details of infill plate to surrounding frame. The specimens are modeled using nonlinear finite element method verified excellently with the experimental results and analyzed under monotonic loading. A comparison between initial stiffness and shear strength of models as well as percentage of shear force by model boundary frame and infill plate are performed. Moreover, a comparison between energy dissipation, ductility factor and distribution of Von-Mises stresses of models are presented. According to the results, the initial stiffness, shear resistance, energy dissipation and ductility of the models with beam-only connected infill plates (SSW-BO) is found to be about 53%, 12%, 15% and 48% on average smaller than those of models with fully-connected infill plates (SPSW), respectively. However, performance characteristics of semi-supported steel shear walls (SSSW) containing secondary columns by simultaneously decreasing boundary frame strength and increasing thickness of infill plates are comparable to those of SPSWs. Results show that by using secondary columns as well as increasing thickness of infill plates, the stress demands on boundary frame decreases substantially by as much as 35%. A significant increase in infill plate share on shear capacity by as much as 95% and 72% progress for the 4-story SSW-BO and 8-story SSSW8, respectively, as compared with non-strengthened counterparts. A similar trend is achieved by strengthening secondary columns of 4-story SSSW leading to an increase of 50% in shear force contribution of infill plate.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.4
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pp.461-473
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2000
This paper deals with a numerical model for the time-dependent analysis of steel and concrete composite beams with partial shear connection. A linear partial interaction theory is adopted in formulation of structural slip behavior, and the effect of concrete creep and shrinkage are considered. The proposed model is effective in simulating the slip behavior, combined with concrete creep and shrinkage, of multi-span continuous composite beams. Finally, correlation studies and several parameter studies are conducted with the objective to establish the validity of the proposed model.
A calculation method was presented to calculate the deflection of GFRP-concrete-steel beams with full or partial shear connections. First, the sectional analysis method was improved by considering concrete nonlinearity and shear connection stiffness variation along the beam direction. Then the equivalent slip strain was used to take into consideration of variable cross-sections. Experiments and nonlinear finite element analysis were performed to validate the calculation method. The experimental results showed the deflection of composite beams could be accurately predicted by using the theoretical model or the finite element simulation. Furthermore, more finite element models were established to verify the accuracy of the theoretical model, which included different GFRP plates and different numbers of shear connectors. The theoretical results agreed well with the numerical results. In addition, parametric studies using theoretical method were also performed to find out the effect of parameters on the deflection. Based on the parametric studies, a simplified calculation formula of GFRP-concrete-steel composite beam was exhibited. In general, the calculation method could provide a more accurate theoretical result without complex finite element simulation, and serve for the further study of continuous GFRP-concrete-steel composite beams.
Kim, Kwang-Soo;Jung, Kwang-Hoe;Sim, Chung-Wook;Yoo, Sung-Won
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.20
no.2
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pp.231-237
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2008
This study was performed to evaluate joint behavior of prestressed concrete(PSC)-steel mixed girders through the flexural test of 14 beams according to embedded length, amount of reinforcing steel, stud arrangement, and prestressing force. All test beams were failed by turns of desertion of reinforcing steel, stud, and steel plate. From test results, prestressing force was more effective on performance of connection than stud arrangement and reinforcing steel. And the spacing of stud is also more effective than embedding length. This paper also presented 3D nonlinear analysis considering the slip of composite section as well as the static load tests of PSC-steel mixed girders. According to the slip modulus, the nonlinear analysis showed that the behavior of hybrid girders could be divided into three parts as full-composite, partial-composite and non-composite. However, the experimental results showed that the PSC-steel hybrid girders with shear connectors took the part of partial composite action in ultimate load stage. In addition, it was founded that stud shear connectors and welded reinforcements were contributed to improve the ultimate strength of hybrid girders for about 20%.
The connection of the slab with the steel beam and thus, the transmission of shear force at the interface of the steel-concrete composite beams is achieved with shear connectors, in general, with shear studs. The composite action through these shear studs has a significant influence on the load carrying behavior of the composite beams. The load carrying capacity of studs is determined through push-out tests. At present, the transferability of this load carrying capacity of studs to composite beams, especially in cases of partial interaction, is being questioned by experimental and theoretical investigations. In this study, a finite element model for the simulation of the behavior of the standard push-out specimen and the composite beams without the implementation of the load-slip curve of the stud connectors from the push-out test is developed. The load carrying behavior of the studs in the composite beams is estimated and compared with the results of the push-out test. The reason for the difference in the load carrying behavior of the studs in the push-out test specimen and in the composite beams is found.
Composite beams using bolts to attach steel plates to the side faces of existing reinforced concrete (RC) coupling beams can enhance both their strength and deformability. The behavior of those composite beams differs substantially from the behavior of typical composite beams made up of steel beams and concrete slabs. The former are subjected to longitudinal, vertical and rotational slips, while the latter only involve longitudinal slip. In this study, a mixed analysis method was adopted to develop the fundamental equations for accurate prediction of the load-carrying capacity of steel plate strengthened RC coupling beams. Then, a rigid plastic analysis technique was used to cope with the full composite effect of the bolt group connections. Two theoretical models for the determination of the strength of medium-length plate strengthened coupling beams based on mixed analysis and rigid plastic methods are presented. The strength of the strengthened coupling beams is derived. The vertical and longitudinal slips of the steel plates and the shear strength of the anchor-bolt connection group is considered. The theoretical models are validated by the available experimental results presented in a companion paper. The strength of the specimens predicted from the mixed analysis model is found to be in good agreement with that from the experimental results.
In this study, an unbraced five-story steel-framed structure was designed in accordance with KBC2005 to understand the features of structural behavior for the arrangement of semi-rigid connections. A pushover analysis of the structural models was performed, wherein all the connections were idealized as fully rigid and semi-rigid. Additionally, horizontal and vertical arrangements of the semi-rigid connection were adopted for the models. A fiber model was utilized for the moment-curvature relationship of the steel beam and the column, and a three-parameter power model was adopted for the moment-rotation angle of the semi-rigid connection. The top displacement, base-shear force, required ductility for the connection, sequence of the plastic hinge, and design factors such as the overstrength factor, ductility factor, and response modification coefficient were investigated using the pushover analysis of a 2D structure subjected to the equivalent static lateral force of KBC2005. The partial arrangement of the semi-rigid connection was found to have secured higher strength and lateral stiffness than that of the A-Semi frame, and greater ductility than the A-Rigid frame. The TSD connection was found suitable for use for economy and safety in the sample structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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