Composite bonding steel plate (CBSP) is a newly developed type of structure strengthened technique applicable to the existing RC beam. This composite structure is applicable to strengthening the existing beam bearing high load. The strengthened beam consists of two layers of epoxy bonding prestressed steel plates and the RC beam sandwiched in between. The bonding enclosed and prestressed U-shaped steel jackets are applied at the beam sides. This technique is adopted in case of structures with high longitudinal reinforcing bar ratio and impracticable unloading. The prestress can be generated on the strengthening steel plates and jackets by using the CBSP technique before loading. The test results of full-scale CBSP strengthened beams show that the strength and stiffness are enhanced without reduction of their ductility. It is demonstrated that the strain hysteresis effect can be effectively overcome after prestressing on the steel plates by using such technique. The applied plates and jackets can jointly behave together with the existing beam under the action of epoxy bonding and the mechanical anchorage of the steel jackets. The simplified formulas are proposed to calculate the prestress and the ultimate capacities of strengthened beams. The accuracy of formulas was verified with the experimental results.
Steel-concrete-steel sandwich composite wall is composed of two external steel plates and infilled concrete core. Internal mechanical connectors are used to enhance the composite action between the two materials. In this paper, the compressive behavior of a novel sandwich composite wall was studied. The steel trusses were applied to connect the steel plates to the concrete core. Three short specimens with different truss spacings were tested under compressive loading. The boundary columns were not included. It was found that the failure of walls started from the buckling of steel plates and followed by the crushing of concrete. Global instability was not observed. It was also observed that the truss spacing has great influence on ultimate strength, buckling stress, ductility, strength index, lateral deflection, and strain distribution. Three modern codes were introduced to calculate the capacity of walls. The comparisons between test results and code predictions show that AISC 360 provides significant underestimations while Eurocode 4 and CECS 159 offer overestimated predictions.
This study investigates the flexural behavior of steel-concrete composite beams strengthened with prestressed carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) plates. An innovative mechanical anchorage system was developed. The components of the system can be easily assembled on site before applying a prestressing force, and removed from the structures after strengthening is completed. A total of seven steel-concrete composite specimens including four simply supported beams strengthened at the positive moment region and three continuous beams strengthened at the negative moment region were tested statically until failure. Experimental results showed that the use of prestressed CFRP plates enhanced the flexural capacity and reduced the mid-span deflection of the beams. Furthermore, by prestressing the CFRP laminates, the material was used more efficiently, and the crack resistance of the continuous composite specimens at the central support was significantly improved after strengthening. Overall, the anchorage system proved to be practical and feasible for the strengthening of steel-concrete composite beams. The theoretical analysis of ultimate bearing capacity is reported, and good agreement between analytical values and experimental results is achieved.
Steel-concrete composite walls have been proposed and developed for applications in various types of structures. The double-skin profiled composite walls, as a natural development of composite flooring, provide structural and architectural merits. However, adequate intermediate fasteners between profiled steel plates and concrete core are required to fully mobilize the composite action and to improve the structural behavior of the wall. In this research, two new types of fasteners (i.e., threaded rods and vertical plates) were proposed and three specimens with different fastener types or fastener arrangements were tested under axial compression. The experimental results were evaluated in terms of failure modes, axial load versus axial displacement response, strength index, ductility index, and load-strain relationship. It was found that specimen with symmetrically arranged thread rods sustained more stable axial strain than that with staggered arranged threaded rods. Meanwhile, vertical plates are more suitable for practical use since they provide stronger confinement to profiled steel plate and effectively prevent the steel plate from early local buckling, which eventually enhance the composite action and increase the axial compressive capacity of the wall. The calculation methods were then proposed and good agreement was observed between the test results and the predicted results.
In this research, the explicit closed-form local buckling solution of steel plates in contact with concrete, with both loaded and unloaded edges elastically restrained against rotation and subjected to eccentric compression is presented. The Rayleigh-Rize approach is applied to establish the eigenvalue problem for the local buckling performance. Buckling shape which combines trigonometric and biquadratic functions is introduced according to that used by Qin et al. (2017) on steel plate buckling under uniform compression. Explicit solutions for predicting the local buckling stress of steel plate are obtained in terms of the rotational stiffness. Based on different boundary conditions, simply yet explicit local buckling solutions are discussed in details. The proposed formulas are validated against previous research and finite element results. The influences of the loading stress gradient parameter, the aspect ratio, and the rotational stiffness on the local buckling stress resultants of steel plates with different boundary conditions were evaluated. This work can be considered as an alternative to apply a different buckling shape function to study the buckling problem of steel plate under eccentric compression comparing to the work by Qin et al. (2018), and the results are found to be in consistent with those in Qin et al. (2018).
The Journal of Sustainable Design and Educational Environment Research
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v.10
no.2
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pp.1-7
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2011
An experimental study to evaluate structural capacity of an embedded plate connected with prestressed concrete beam was performed. Embedded steel plates and prestressed concrete beam were connected with stud-bolts at the ends of concrete beam specimens. About 1,000 kN concentrated load was applied at 450mm away from the end of beam specimen. A 3,000 kN capacity static Oil-jack was used to direct concentrated load. The maximum strain of stud-bolt recorded $90{\times}10^{-6}$(mm/mm) and wide width cracks were not founded. Any falling failures of concrete and large deformations were not founded either between steel plate and prestressed concrete specimen. As a result, construction performance can be improved using this embedded steel plate connection system apply to large space educational facilities.
Profiled composite slab has been widely used in civil engineering due to its structural merits. The extension of this concept to the bearing wall forms the profiled composite wall, which consists of two external profiled steel plates and infill concrete. This paper investigates the structural behavior of this type of wall under axial compression. A series of compression tests on profiled composite walls consisting of varied types of profiled steel plate and edge confinement have been carried out. The test results are evaluated in terms of failure modes, load-axial displacement curves, strength index, ductility ratio, and load-strain response. It is found that the type of profiled steel plate has influence on the axial capacity and strength index, while edge confinement affects the failure mode and ductility. The test data are compared with the predictions by modern codes such as AISC 360, BS EN 1994-1-1, and CECS 159. It shows that BS EN 1994-1-1 and CECS 159 significantly overestimate the actual compressive capacity of profiled composite walls, while AISC 360 offers reasonable predictions. A method is then proposed, which takes into account the local buckling of profiled steel plates and the reduction in the concrete resistance due to profiling. The predictions show good correlation with the test results.
In this paper, a closed-form rigorous solution for interfacial stress in continuous steel beam with variable section strengthened with bonded prestressed FRP plates and subjected to a uniformly distributed load is developed using linear elastic theory and including the variation of fiber volume fractions with a longitudinal orientation of the fibers of the FRP plates. The results show that there exists a high concentration of both shear and normal stress at the ends of the laminate, which might result in premature failure of the strengthening scheme at these locations. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. Overall, the predictions of the different solutions agree closely with each other. A parametric study has been conducted to investigate the sensitivity of interface behavior to parameters such as laminate and adhesive stiffness, the thickness of the laminate and the fiber volume fractions where all were found to have a marked effect on the magnitude of maximum shear and normal stress in the composite member. This research gives a numerical precision in relating to the others studies which neglect the effect of prestressed plate and the shear lag impact. The physical and geometric properties of materials are taken into account, and that may play an important role in reducing the interfacial stresses magnitude.
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.
Current study on the buckling analysis of steel plate in composite structures normally focuses on applying finite element method to derive the buckling stress. However, it is time consuming, computationally complicated and tedious for general use in design by civil engineers. Therefore, in this study an analytical study is conducted to predict the buckling behavior of steel plates in composite structures. Hand calculation method was proposed based on energy principle. Novel buckling shapes with biquadratic functions along both loaded and unloaded direction were proposed to satisfy the boundary condition. Explicit solutions for predicting the critical local buckling stress of steel plate is obtained based on the Rayleigh-Ritz approach. The obtained results are compared with both experimental and numerical data. Good agreement has been achieved. Furthermore, the influences of key factors such as aspect ratio, width to thickness ratio, and elastic restraint stiffness on the local buckling performance are comprehensively discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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