Steel plate shear wall (SPSW) system has been increasingly used for lateral loads resisting system since 1980s when the utilization of post-buckling strength of SPSW was realized. The structural response of SPSWs largely depends on the behavior of the surrounded beams. The beams are normally required to behave in the elastic region when the SPSW fully buckled and formed the tension field action. However, most modern design codes do not specify how this requirement can be achieved. This paper presents theoretical investigation and design procedures of manually calculating the plastic flexural capacity of the beams of SPSWs and can be considered as an extension to the previous work by Qu and Bruneau (2011). The reduction in the plastic flexural capacity of beam was considered to account for the presence of shear stress that was altered towards flanges at the boundary region, which can be explained by Saint-Venant's principle. The reduction in beam web was introduced and modified based on the research by Qu and Bruneau (2011), while the shear stress in the web in this research is excluded due to the boundary effect. The plastic flexural capacity of the beams is given by the superposition of the contributions from the flanges and the web. The developed equations are capable of predicting the plastic moment of the beams subjected to combined shear force, axial force, bending moment, and tension fields induced by yielded infill panels. Good agreement was found between the theoretical results and the data from previous research for flexural capacity of beams.
This paper investigates the effect of aftershocks on the seismic performance of self-centering (SC) prestressed concrete frames using the probabilistic seismic demand analysis methodology. For this purpose, a 4-story SC concrete frame and a conventional reinforced concrete (RC) frame are designed and numerically analyzed through nonlinear dynamic analyses based on a set of as-recorded mainshock-aftershock seismic sequences. The peak and residual story drifts are selected as the demand parameters. The probabilistic seismic demand models of the SC and RC frames are compared, and the SC frame is found to have less dispersion of peak and residual story drifts. The results of drift demand hazard analyses reveal that the SC frame experiences lower peak story drift hazards and significantly reduced residual story drift hazards than the RC frame when subjected to the mainshocks only or the mainshock-aftershock sequences, which demonstrates the advantages of the SC frame over the RC frame. For both the SC and RC frames, the influence of as-recorded aftershocks on the drift demand hazards is small. It is shown that artificial aftershocks can produce notably increased drift demand hazards of the RC frame, while the incremental effect of artificial aftershocks on the drift demand hazards of the SC frame is much smaller. It is also found that aftershock polarity does not influence the drift demand hazards of both the SC and RC frames.
There are many studies on the optimization of steel trusses in literature; and, a large number of them include a shape optimization. However, only a few of these studies are focused on the prestressed steel trusses. Therefore, this paper aims to determine the amounts of the material and cost savings in steel plane trusses in the case of prestressing. A parallel-chord simply supported steel truss is handled as an example to evaluate the used approach. It is considered that prestressing tendon is settled under the bottom bar, between two end supports, using deviators. Cross-sections of the truss members and height of the truss are taken as the design variables. The prestress losses are calculated in two steps as instantaneous losses and time-dependent losses. Tension increment in prestressing tendon due to the external loads is also considered. A computer program based on genetic algorithm is developed to solve the optimization problem. The handled truss is optimized for different span lengths and different tendon eccentricities using the coded program. The effects of span length and eccentricity of tendon on prestressed truss optimization are investigated. The results of different solutions are compared with each other and those of the non-prestressed solution. It is concluded that the amounts of the material and the cost of a steel plane truss can be reduced up to 19.9% and 14.6%, respectively, by applying prestressing.
In the present study, structural behavior of steel beams strengthened with CFRP strips and cables was investigated by a series of experiments. For this purpose, two groups of experimental studies were carried out: one for the beam series strengthened only with CFRP strips and the other for the steel beam series strengthened with CFRP strips and prestressed wires. From this test, it is found that the flexural stiffness and strength of the steel beams strengthened with CFRP strips and cables were significantly improved comparing to the un-strengthened one. Three failure modes such as sudden de-bonding, splitting and rupturing of CFRP strips were observed. The ultimate tensile strains of attached CFRP strips on the steel beams were noticed in the range between 8,000με and 11,000με, and this result disclose the perfect composite reaction CFRP strips and steel beams.
Shear lag effect can be an important phenomenon to consider in design of the steel-concrete composite beams. Researchers have found that the effect can be strongly related with the moment distribution, the stiffness and the ductility of the composite beams. For continuous composite beams expected to sustain hogging moment, the shear lag effect can be more distinct as cracking of the concrete slab reduces its shear stiffness. Despite its influences on behaviour of the steel-concrete composite beams, a method for calculating the shear lag effect in steel-concrete composite beams sustaining hogging moment is still not available. Shear lag effect in steel-concrete composite beams sustaining hogging moment is investigated in this paper. A method was proposed specifically for predicting the effect in the cracked part of the steel-concrete composite beam. The method is validated against available experimental data. At last, FE studies are conducted for steel-concrete composite beams with different design parameters, loading conditions and boundary conditions to further investigate the shear lag effect and compare with the proposed method.
Han, Sun-Jin;Joo, Hyo-Eun;Choi, Seung-Ho;Heo, Inwook;Kim, Kang Su
Steel and Composite Structures
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v.38
no.6
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pp.691-703
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2021
In this study, experiments were conducted to evaluate the flexural performance of prestressed hybrid wide flange (PHWF) beams with hollowed steel webs. A total of four PHWF beams were fabricated, where the width and spacing of the steel webs and the presence of cast-in-place (CIP) concrete were set as the main test parameters, and their flexural behavior and crack patterns, and the longitudinal strain distribution in a section with respect to the width and spacing of the steel webs were analyzed in detail. The experiment results showed that, as the ratio of the width to the spacing of the steel webs decreased, the flexural stiffness and strength of the PHWF beams without CIP concrete decreased. In addition, in the case of composite PHWF beam with CIP concrete, fully composite behavior between the precast concrete and the CIP concrete was achieved through the embedded steel member. Finite element analyses were performed for the PHWF beams considering the bond properties between the hollowed steel webs and concrete, and nonlinear flexural analyses were also conducted reflecting the pre-compressive strains introduced only into the bottom flange. From the comparison of the test and analysis results, it was confirmed that the analysis models proposed in this study well evaluated the flexural behavior of PHWF beams with and without CIP concrete.
Recently, application of composite materials such as fiber reinforced concretes(FRCs) and fiber reinforced plastics(FRPs) in conjunction with conventional structural components has become one of the main research areas. A proper use of advanced composite materials requires understanding their resistance mechanism and failure mode when they are applied to structures or their components. Particular considerations are given in this research to develop an analytical model which can predict the nonlinear flexural responses of bonded and unbonded prestressed concrete beams possibly having layers of different cementitious composite matrices in a section and/or FRP tendons. The block concept is used, which can be regarded as an intermediate modeling method between the couple method with one block and the layered method with multiply sliced layers in a section. In order to find a particular deflection point of a beam under load, solutions to the 2N-variables are found numerically by using approximate N-force equilibrium equations and N-moment equilibirum equations. The model is shown to successfully predict the flexual behavior of variously reinforced bonded and unbonded prestressed concrete beams. The model is also successful in simulating a gradually increasing load after sudden drop inload resistance due to fracture of one or more FRP tendons. This feature is useful in tracing the overall load-deflection response of a beam prestressed with brittle FRP tendons.
This study develops and numerically verifies an innovative seismically resilient bracing system. The proposed self-centering tension-only brace (SC-TOB) is composed of a tensioning system to provide a self-centering response, a frictional device for energy dissipation, and a high-strength steel cable as a bracing element. It is considered to be an improvement over the traditional self-centering braces in terms of lightness, high bearing capacity, load relief, and double-elongation capacity. In this paper, the mechanics of the system are first described. Governing equations deduced from the developed analytical model to predict the behavior of the system are then provided. The results from a finite element validation confirm that the SC-TOB performs as analytically predicted. Key parameters including the activation displacement and load, the self-centering parameter, and equivalent viscous damping are investigated, and their influences on the system behavior are discussed. Finally, a design procedure considering controlled softening behavior is developed and illustrated through a design example.
Kim, Sun-Hee;Lee, Seng-Hoo;Park, Joon-Seok;Cheon, Jinuk;Yoon, Soon-Jong
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.6
no.2
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pp.8-16
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2015
Prestressed concrete (PSC) is a method in which prestressed tendon is placed inside and/or outside the reinforced concrete member and the compressive force applied to the concrete in advance to enhance the engineering properties of concrete member which is weak under tension. In this paper we suggested the precast PSC girder assembled with segments of portable size and weight at the factory. The segments of precast PSC girder will be delivered and assembled as a unit of PSC girder at the site. Consequently, we suggested new-type of precast segmented PSC girder with different shapes of segment cross-section (i.e., I-shape, Box-shape). To mitigate the problems associated with the field splice between the segments of precast PSC girder anchor system is attached near the neutral axis of the girder and relatively uniform compression throughout the girder cross-section is applied. Prior to the experimental investigation, analytical investigation on the structural behavior of precast PSC girder was performed and the serviceability (deflection) and safety (strength) of the girder were confirmed. In addition, 4-point bending test on the girder was conducted to investigate the structural performance under bending. From the experimental investigation, it was found that the precast PSC girder spliced with 3 and 5 segments has sufficient in serviceability and safety conditions and it was also observed that the point where the segments spliced has no defects and the girder behaves as a unit.
A Prestressed stayed steel column is an efficient and lightweight way with regard to enhancing the stability behaviour of a compression column. In the past, researchers primarily concentrated on investigating the behaviour of stayed steel columns with horizontal crossarms. However, this article focuses on prestressed stayed steel columns with split-up crossarm system, in which the crossarms are aslant and rotational symmetrically arranged. A mathematical formula calculating the optimal pretension that corresponds to the maximum critical buckling load was established according to geometric analysis based on the small deformation assumption. It was demonstrated that critical buckling mode of this stayed column is different from the one with horizontal crossarms. The governing imperfection direction that should be adopted in the nonlinear buckling analysis was determined in this work. In addition, the effects of crossarm inclination, stay diameter, and crossarm length on the stability behaviour were investigated. An influencing factor denotes the ratio of the load carrying capacity of the prestressed stayed steel column to the Euler load of the main column was also obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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