Sandwich composite wall consists of concrete core attached by two external steel faceplates. It combines the advantage of steel and concrete. The appropriate composite action between steel faceplate and concrete core is achieved by using adequate mechanical connectors. This research studied the compressive behavior of the sandwich composite walls using steel trusses to bond the steel faceplates to concrete infill. Four short specimens with different wall width and thickness of steel faceplate were designed and tested under axial compression. The test results were comprehensively evaluated in terms of failure modes, load versus axial and lateral deformation responses, resistance, stiffness, ductility, strength index, and strain distribution. The test results showed that all specimens exhibited high resistance and good ductility. Truss connectors offer better restraint to walls with thinner faceplates and smaller wall width. In addition, increasing faceplate thickness is more effective in improving the ultimate resistance and axial stiffness of the wall.
The dynamic characteristics of continuous steel-concrete composite beams considering the effect of interlayer slip were investigated based on Euler Bernoulli's beam theory. A simplified calculation model was presented, in which the Mode Stiffness Matrix (MSM) was developed. The natural frequencies and modes of partial-interaction composite continuous beams can be calculated accurately and easily by the use of MSM. Proceeding from the present method, the natural frequencies of two-span steel-concrete composite continuous beams with different span-ratios (0.53, 0.73, 0.85, 1) and different shear connection stiffnesses on the interface are calculated. The influence pattern of interfacial stiffness on bending vibration frequency was found. With the decrease of shear connection stiffness on the interface, the flexural vibration frequencies decrease obviously. And the influence on low order modes is more obvious while the reduction degree of high order is more sizeable. The real natural frequencies of partial-interaction continuous beams commonly used could have a 20% to 40% reduction compared with the fully-interaction ones. Furthermore, the reduction-ratios of natural frequencies for different span-ratios two-span composite beams with uniform shear connection stiffnesses are totally the same. The span-ratio mainly impacts on the mode shape. Four kinds of shear connection stiffnesses of steel-concrete composite continuous beams are calculated and compared with the experimental data and the FEM results. The calculated results using the proposed method agree well with the experimental and FEM ones on the low order modes which mainly determine the vibration properties.
Wang, Hai-Tao;Wu, Gang;Pan, Yu-Yang;Zakari, Habeeb M.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.5
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pp.629-640
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2019
This paper presents a theoretical and finite element (FE) study on the stress intensity factors of double-edged cracked steel beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plates. By simplifying the tension flange of the steel beam using a steel plate in tension, the solutions obtained for the stress intensity factors of the double-edged cracked steel plate strengthened with CFRP plates were used to evaluate those of the steel beam specimens. The correction factor α1 was modified based on the transformed section method, and an additional correction factor φ was introduced into the expressions. Three-dimensional FE modeling was conducted to calculate the stress intensity factors. Numerous combinations of the specimen geometry, crack length, CFRP thickness and Young's modulus, adhesive thickness and shear modulus were analyzed. The numerical results were used to investigate the variations in the stress intensity factor and the additional correction factor φ. The proposed expressions are a function of applied stress, crack length, the ratio between the crack length and half the width of the tension flange, the stiffness ratio between the CFRP plate and tension flange, adhesive shear modulus and thickness. Finally, the proposed expressions were verified by comparing the theoretical and numerical results.
The application of double-skin composite wall should meet different layout plans. However, most available research focused on the rectangular section with uniform axial compression. In this research, the structural behavior of double-skin composite wall with L section was studied. Due to the unsymmetric geometric characteristics, the considered loading condition combined the axial compression and biaxial bending. Five specimens were designed and tested under eccentric compression. The variables in the test included the width of the web wall, the truss spacing, the thickness of the steel faceplate, and the thickness of the web wall. The test results were discussed in terms of the load-displacement responses, buckling behavior, stiffness, ductility, strength utilization, strain distribution. Two modern codes were employed to predict the interaction between the axial compression and the biaxial bending. The method to calculate the available bending moment along the two directions was proposed. It was found that CECS 159:2004 offers more suitable results than AISC 360.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.6
no.3
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pp.14-19
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2015
In this study we developed an integrated precast concrete decks for a rapid construction. The structural performance in the integrated precast bridge decks is evaluated by real-scale test bed and detailed finite element analyses. The numerical analysis results were compared with the experimental data from a real-scaled single-span precast/prestressed concrete bridge decks under truck loading. Parametric studies are focused on the various effects of external loads on the structural behavior for different locations and measuring points on the precast bridge decks. The assessment in this study indicates that the integrated precast bridge decks show an excellent structural performance as expected.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2010.05a
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pp.39-40
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2010
The demands for longer span and reduction of story height have greatly increased as building structures become much larger and higher in recent years. Although the development of flexural members for reducing story height or making long span has been studied by many researchers and engineers, there is still a lack of efficient systems that meet these two demands simultaneously. This study aimed at developing a new composite beam system suitable for long span and reduction of story height, and proposed a prestressed composite beam with corrugated web. It has great resistance against non-symmetric construction load due to its strong out-of-plane shear strength with relatively small member height as well as good constructability and economic efficiency by removing/minimizing form work. The corrugated webs also make accordion effect introducing larger effective prestressing force to top and bottom flanges, which causes larger upward camber reducing the member deflection. Five full-scale specimens with key test parameters, which are web sectional shapes and number of drape points, were tested to understand their flexural behavior and to verify the performance of the proposed method. The experimental test results showed that the proposed prestressed composite beam had greater flexural strength and stiffness than the ordinary non-prestressed composite beam.
A cable-stiffened cylindrical single-layer latticed shell that is reinforced by cable-stiffened system has superior stability behaviour compared with the ordinary cylindrical latticed shell. The layouts of cable-stiffened system are flexible in this structural system, and different layouts contribute different stiffness to the structure. However, the existed few research primarily focused on the simplest type of cable layouts, in which the grids of the latticed shell are diagonally stiffened by prestressed cables in-plane. This current work examines the stability behaviour of the cable-stiffened cylindrical latticed shells with two different types of cable layouts using nonlinear finite element analysis. A parametric study on the effect of cross-sectional of the cables, pretension in cables, joint stiffness, initial imperfections, load distributions and boundary conditions is presented. The findings are useful for the reference of the designer in using this type of structural system.
Chen, Xia-chun;Bai, Zhi-zhou;Zeng, Yu;Jiang, Rui-juan;Au, Francis T.K.
Steel and Composite Structures
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v.21
no.5
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pp.1045-1067
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2016
Concrete bridges with corrugated steel webs and prestressed by both internal and external tendons have emerged as one of the promising bridge forms. In view of the different behaviour of components and the large shear deformation of webs with negligible flexural stiffness, the assumption that plane sections remain plane may no longer be valid, and therefore the classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam models may not be applicable. In the design of this type of bridges, both the ultimate load and ductility should be examined, which requires the estimation of full-range behaviour. An analytical sandwich beam model and its corresponding beam finite element model for geometric and material nonlinear analysis are developed for this type of bridges considering the diaphragm effects. Different rotations are assigned to the flanges and corrugated steel webs to describe the displacements. The model accounts for the interaction between the axial and flexural deformations of the beam, and uses the actual stress-strain curves of materials considering their stress path-dependence. With a nonlinear kinematical theory, complete description of the nonlinear interaction between the external tendons and the beam is obtained. The numerical model proposed is verified by experiments.
Kal, Kyoung Wan;Hwang, Jin Ha;Lee, Deuck Hang;Kim, Kang Su;Choi, Il Sup
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.16
no.1
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pp.78-88
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2012
Although structural concrete is well known for its good economic efficiency, it has limits of structural performance due to the low tensile strength, for which new structural members utilizing various concrete composite materials have been developed. Steel Fiber-Reinforced Concrete(SFRC) has great tensile strength, which is the one of the excellent composite material to complement the weakness of concrete, and it is also considered as a good alternative to prevent the explosive failure of high strength concrete under fire. Also, prestressed concrete members are of great advantages to long span structures and have greater shear strength compared to conventional reinforced concrete members. In this research, thus, a total of 22 direct shear test specimens were fabricated and tested to understand the shear behavior of Steel Fiber-Reinforced Prestressed Concrete(SFR-PSC) members, in which SFRC members combined with prestressing method. Based on the test results, the constitutive equations of shear behavior at crack interfaces were proposed, which provided good estimation on the shear behavior of the SFR-PSC direct shear test specimens.
Prestressed concrete (PC) bridges using corrugated steel webbing have emerged as one of the most promising forms of steel-concrete composite bridge. However, their long-term behavior is not well understood, especially in the case of large-span bridges. In order to study the time-dependent performance, a large three-span PC bridge with corrugated steel webbing was compared to a similar conventional PC bridge to examine their respective time-dependent characteristics. In addition, a three-dimensional finite element method with step-by-step time integration that takes into account cantilever construction procedures was used to predict long-term behaviors such as deflection, stress distribution and prestressing loss. These predictions were based upon four well-established empirical creep prediction models. PC bridges with a corrugated steel web were observed to have a better long-term performance relative to conventional PC bridges. In particular, it is noted that the pre-cambering for PC bridges with a corrugated steel web could be smaller than that of conventional PC bridges. The ratio of side-to-mid span has great influence on the long-term deformation of PC bridges with a corrugated steel web, and it is suggested that the design value should be between 0.4 and 0.6. However, the different creep prediction models still showed a weak homogeneity, thus, the further experimental research and the development of health monitoring systems are required to further progress our understanding of the long-term behavior of PC bridges with corrugated steel webbing.
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