The composite frame system with reinforced concrete column and steel beam has some advantages in the structural efficiency by complementing the shortcomings between the two systems. The system, however has also a lot of problems in practical design and construction process due to the material dissimilarities. Considering these circumstances, this research is aimed at the development of the composite structural system which enables the steel beams to be connected to the R/C columns with higher structural safety and economy. Basically the proposed connection system is composed of four split tees, structural angles reinforced by stiffener, high strength steel rods, connecting plates and shear plates. The structural tests have been carried out to verify the moment transfer mechanism from beam flange to steel rods or connecting plates through the angle reinforced by siffener. The four prototype specimens have been tested until the flange of beam reached the plastic states. From the tests, no distinct material dissimilarities between concrete and steel have been detected and the stress transfer through wide flange beam - structural angle - high strength steel rod or connecting plate is very favorable.
In this study, theoretical and experimental results are presented which were obtained during an investigation of the influence of the $P-{\Delta}$ effect that was caused by the simultaneous changing of the axial load P of the column and the lateral displacement ${\Delta}$ in the external beam-column joints. The increase or decrease of ${\Delta}$ was simultaneous with the increase or decrease of the axial compression load P and caused an additional influence on the aseismic mechanical properties of the joint. A total of 12 reinforced concrete exterior beam-column subassemblies were examined. A new model, which predicts the beam-column joint ultimate shear strength, was used in order to predict the seismic behaviour of beam-column joints subjected to earthquake-type loading plus variable axial load and $P-{\Delta}$ effect. Test data and analytical research demonstrated that axial load changes and $P-{\Delta}$ effect during an earthquake cause significant deterioration in the earthquake-resistance of these structural elements. It was demonstrated that inclined bars in the joint region were effective for reducing the unfavourable impact of the $P-{\Delta}$ effect and axial load changes in these structural elements.
Nguyen, Anh P.;Banh, Thanh T.;Lee, Dongkyu;Lee, Jaehong;Kang, Joowon;Shin, Soomi
Steel and Composite Structures
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v.29
no.5
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pp.635-645
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2018
Beam-column joints play a significant role in static and dynamic performances of reinforced concrete frame structures. This study contributes a numerical approach of topologically optimal design of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) to retrofit existing beam-column connections with crack patterns. In recent, CFRP is used commonly in the rehabilitation and strengthening of concrete members due to the remarkable properties, such as lightweight, anti-corrosion and simplicity to execute construction. With the target to provide an optimal CFRP configuration to effectively retrofit the beam-column connection under semi-failure situation such as given cracks, extended finite element method (X-FEM) is used by combining with multi-material topology optimization (MTO) as a mechanical description approach for strong discontinuity state to mechanically model cracked structures. The well founded mathematical formulation of topology optimization problem for cracked structures by using multiple materials is described in detail in this study. In addition, moved and regularized Heaviside functions (MRHF), that have the role of a filter in multiple materials case, is also considered. The numerical example results illustrated in two cases of beam-column joints with stationary cracks verify the validity, benefit and supremacy of the proposed method.
Siddika, Ayesha;Al Mamun, Md. Abdullah;Siddique, Md. Abu Bakar
Journal of Construction Engineering and Project Management
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v.7
no.4
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pp.13-19
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2017
This study is based on the use and performance of bamboo reinforcements in construction of low-cost structures. This study investigated the physical and mechanical properties of bamboo reinforcements. Bamboo reinforced concrete beam specimens were tested with different reinforcement ratios and observed the load capacity, deflection and failure patterns. It was observed that, flexural strength of bamboo reinforced column is sufficient higher than plain cement concrete and comparable to steel reinforced concrete beams. Bamboo reinforced concrete columns with different reinforcement ratio also tested and observed the ultimate compressive strength and failure pattern. It found, all columns failed in a similar pattern due to crushing of concrete. According to cost analysis, bamboo reinforced beams and columns with moderate reinforcement ratio showed the best strength-cost ratio among plain cement concrete and steel reinforced concrete.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.12
no.3
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pp.363-370
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1999
This study presented an modeling method for the connections in mixed structure with reinforced concrete columns and steel beam using finite element method. The contacting surfaces between concrete and steel are modeled using master-slave contact algorithm and the incompatible mode elements were used in the steel tube subjected to bending. The characteristics of mixed structure was that diaphragm was used for transferring force from beam to column. The three dimensional nonlinear analysis was performed and the analytical results compared with experimental results in order to prove modeling method.
In the design of reinforced concrete beams, it is a standard practice to use the yield stress of the steel reinforcement for the evaluation of the flexural strength. However, because of strain hardening, the tensile strength of the steel reinforcement is often substantially higher than the yield stress. Thus, it is a common belief that the actual flexural strength should be higher than the theoretical flexural strength evaluated with strain hardening ignored. The possible increase in flexural strength due to strain hardening is a two-edge sword. In some cases, it may be treated as strength reserve contributing to extra safety. In other cases, it could lead to greater shear demand causing brittle shear failure of the beam or unexpected greater capacity of the beam causing violation of the strong column-weak beam design philosophy. Strain hardening may also have certain effect on the flexural ductility. In this paper, the effects of strain hardening on the post-peak flexural behaviour, particularly the flexural strength and ductility, of reinforced normal- and high-strength concrete beams are studied. The results reveal that the effects of strain hardening could be quite significant when the tension steel ratio is relatively small.
This article presents a comparative analysis of seismic behavior in steel-beam reinforced concrete column (RCS) frames versus steel and reinforced concrete frames. The study evaluates the seismic response and collapse behavior of RCS frames of varying heights through nonlinear modeling. RCS, steel, and reinforced concrete special moment frames are considered in three height categories: 5, 10, and 20 stories. Two-dimensional frames are extracted from the three-dimensional structures, and nonlinear static analyses are conducted in the OpenSEES software to evaluate seismic response in post-yield regions. Incremental dynamic analysis is then performed on models, and collapse conditions are compared using fragility curves. Research findings indicate that the seismic intensity index in steel frames is 1.35 times greater than in RCS frames and 1.14 times greater than in reinforced concrete frames. As the number of stories increases, RCS frames exhibit more favorable collapse behavior compared to reinforced concrete frames. RCS frames demonstrate stable behavior and maintain capacity at high displacement levels, with uniform drift curves and lower damage levels compared to steel and reinforced concrete frames. Steel frames show superior strength and ductility, particularly in taller structures. RCS frames outperform reinforced concrete frames, displaying improved collapse behavior and higher capacity. Incremental Dynamic Analysis results confirm satisfactory collapse capacity for RCS frames. Steel frames collapse at higher intensity levels but perform better overall. RCS frames have a higher collapse capacity than reinforced concrete frames. Fragility curves show a lower likelihood of collapse for steel structures, while RCS frames perform better with an increase in the number of stories.
In this study, new moment-resisting precast concrete beam-column joint made up of hybrid steel concrete was developed and tested. This beam-column joint is proposed for use in moderate seismic regions. It has square hollow tubular section in concrete column and connecting plate in precast U-beam. The steel elements in column and beam members were connected using bolt. Furthermore, in order to prevent the premature failure of concrete in hybrid steel-concrete connection, ECC(engineered cementitious composite) was used. An experimental study was carried out investigating the joint behavior subjected to reversed cyclic loading and constant axial compressive load. Two precast beam-column joint specimens and monolithic reinforced concrete joint specimen were tested. The variables for interior joints were cast-in-situ concrete area and transverse reinforcement within the joint. Tests were carried out under displacement controlled reverse cyclic load with a constant axial load. Joint performance is evaluated on the basis of connection strength, stiffness, energy dissipation, and displacement capacity. The test results showed that significant differences in structural behavior between the two types of connection because of different bonding characteristics between steel and concrete; steel and ECC. The proposed joint detail can induce to move the plastic hinge out of the ECC and steel plate. And proposed precast connection showed better performance than the monolithic connection by providing sufficient moment-resisting behavior suitable for applications in moderate seismic regions.
Kang, Chang Hoon;Shin, Kyung Jae;Oh, Young Suk;Moon, Tae Sup
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.14
no.1
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pp.121-130
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2002
This paper presents the tensile behavior of a Concrete-Filled Square Steel Tubular (CFT) column to H-beam welded connections. These connections were externally reinforced with T-shaped stiffeners at the junction of CFT column and beam. The tensile loading tests of eighteen tee-joint connections and finite element analysis using ANSYS were carried out. The main parameters of tests are as follows: 1) the thickness of Square Steel Tubular Column : 6 mm, 9 mm, 2) the strength ratios of tensile strength of horizontal stiffeners to tensile strength of beam flange : 70 %, 100 %, 150 %, 3) the strength ratios of shear strength of vertical stiffeners to tensile strength of beam flange : 80 %, 115 %, 160 %. The results of the tests demonstrate that overall behavior and failure modes of all the specimens are governed mainly by the horizontal stiffeners rather than the vertical stiffeners, and the vertical stiffener played only a role in transferring load introduced from beam to column.
Asl, Mohammad Hossein Habashizadeh;Chenaglou, Mohammad Reza;Abedi, Karim;Afshin, Hassan
Steel and Composite Structures
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v.15
no.3
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pp.281-298
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2013
Composite special moment frame is one of the systems that are utilized in areas with low to high seismicity to deal with earthquake forces. Composite moment frames are composed of reinforced concrete columns (RC) and steel beams (S); therefore, the connection region is a combination of steel and concrete materials. In current study, a three dimensional finite element model of composite connections is developed. These connections are used in special composite moment frame, between reinforced concrete columns and steel beams (RCS). Finite element model is discussed as a most reliable and low cost method versus experimental procedures. Based on a tested connection model by Cheng and Chen (2005), the finite element model has been developed under cyclic loading and is verified with experimental results. A good agreement between finite element model and experimental results was observed. The connection configuration contains Face Bearing Plates (FBPs), Steel Band Plates (SBPs) enveloping around the RC column just above and below the steel beam. Longitudinal column bars pass through the connection with square ties around them. The finite element model represented a stable response up to the first cycles equal to 4.0% drift, with moderately pinched hysteresis loops and then showed a significant buckling in upper flange of beam, as the in test model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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