The use of high-strength concrete (HSC) has significantly increased over the last decade, especially in offshore structures, long-span bridges, and tall buildings. The behavior of such concrete is noticeably different from that of normal-strength concrete (NSC) due to its different microstructure and mode of failure. In particular, the shear capacity of structural members made of HSC is a concern and must be carefully evaluated. The shear fracture surface in HSC members is usually trans-granular (propagates across coarse aggregates) and is therefore smoother than that in NSC members, which reduces the effect of shear transfer mechanisms through aggregate interlock across cracks, thus reducing the ultimate shear strength. Current code provisions for shear design are mainly based on experimental results obtained on NSC members having compressive strength of up to 50MPa. The validity of such methods to calculate the shear strength of HSC members is still questionable. In this study, a new approach based on artificial neural networks (ANNs) was used to predict the shear capacity of NSC and HSC beams without shear reinforcement. Shear capacities predicted by the ANN model were compared to those of five other methods commonly used in shear investigations: the ACI method, the CSA simplified method, Response 2000, Eurocode-2, and Zsutty's method. A sensitivity analysis was conducted to evaluate the ability of ANNs to capture the effect of main shear design parameters (concrete compressive strength, amount of longitudinal reinforcement, beam size, and shear span to depth ratio) on the shear capacity of reinforced NSC and HSC beams. It was found that the ANN model outperformed all other considered methods, providing more accurate results of shear capacity, and better capturing the effect of basic shear design parameters. Therefore, it offers an efficient alternative to evaluate the shear capacity of NSC and HSC members without stirrups.
An approximate analysis method is proposed to predict the dynamic amplification of shear forces in ordinary reinforced concrete shear walls as a preliminary study. First, a seismic design for three groups of ordinary reinforced concrete shear walls higher than 60 m was created on the basis of nonlinear dynamic analysis. Causes for the dynamic amplification effect of shear forces were investigated through a detailed evaluation of the nonlinear dynamic analysis result. A new modal combination rule was proposed on the basis of that observation, in which fundamental mode response and combined higher mode response were summed directly. The fundamental mode response was approximated by nonlinear static analysis result, while higher mode response was computed using response spectrum analysis for equivalent linear structural models with the effective stiffness based on the nonlinear dynamic analysis result. The proposed approximate analysis generally predicted vertical distribution of story shear and shear forces of individual walls from the nonlinear dynamic analysis with comparable accuracy.
Recently the Permanent Uni-wall System (PUS) has been developed which improved the disadvantage of the Cast-In-Place Concrete Pile (CIP) and could be used as permanent retaining wall. In this study, joints between PUS and floor systems were developed. From analyses of the characteristics of design and construction of PUS, shear friction reinforcements with couplers were adopted for shear design of the joints. Twelve types of joints were developed which were classified according to the types of floor structures, wale, and piles of PUS. Two typical joints were tested and the joints showed satisfactory behaviors on the points of shear strength, stiffness, and serviceability. Especially the shear strengths were much higher than the design strengths due to the shear keys which were by-products in splicing shear reinforcements. However, the shear strength of the joint is recommended to be designed by only shear friction reinforcement because shear key is not reliable and too brittle.
Degtyarev, Vitaliy V.;Hicks, Stephen J.;Hajjar, Jerome F.
Steel and Composite Structures
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제43권3호
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pp.293-309
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2022
Accurate design models for predicting the shear resistance of headed studs in solid concrete slabs are essential for obtaining economical and safe steel-concrete composite structures. In this study, symbolic regression with genetic programming (GPSR) was applied to experimental data to formulate new descriptive equations for predicting the shear resistance of studs in solid slabs using both normal and lightweight concrete. The obtained GPSR-based nominal resistance equations demonstrated good agreement with the test results. The equations indicate that the stud shear resistance is insensitive to the secant modulus of elasticity of concrete, which has been included in many international standards following the pioneering work of Ollgaard et al. In contrast, it increases when the stud height-to-diameter ratio increases, which is not reflected by the design models in the current international standards. The nominal resistance equations were subsequently refined for use in design from reliability analyses to ensure that the target reliability index required by the Eurocodes was achieved. Resistance factors for the developed equations were also determined following US design practice. The stud shear resistance predicted by the proposed models was compared with the predictions from 13 existing models. The accuracy of the developed models exceeds the accuracy of the existing equations. The proposed models produce predictions that can be used with confidence in design, while providing significantly higher stud resistances for certain combinations of variables than those computed with the existing equations given by many standards.
The reliability-based seismic design of steel frames is a complex process that incorporates seismic demand with a structural capacity to attain safe buildings aligned with specified constraints. This paper introduces an efficient base shear force formulation to support the reliability-based design process of steel frames. The introduced base shear force equation combines the seismic demand statistics with the reliability objective to calculate a fictitious base shear force for linear static analysis. By concentrating on the seismic demand and promising to meet a certain level of reliability, the equation converts the reliability-based seismic design problem to a deterministic one. Two code-compliant real-size steel moment frames are developed according to different reliability objectives to demonstrate the competency of the proposed formula. The nonlinear dynamic analysis method is used to assess the seismic reliability of the constructed frames, and the numerical results validate the credibility of the suggested formulation. The base shear force calculation method regarding seismic reliability is the main finding of this study. The ease of use makes this approach a potent tool for design professionals and stakeholders to make rapid risk-informed decisions regarding steel moment frame design.
Experimental study is performed to investigate the variation of shear strength of reinforced concrete beams according to design parameters. The major parameters are loading condition, shear span-to-depth ratio, ratio of tensile longitudinal reinforcement, prestress and boundary rigidity.14 reinforced concrete beams without web reinforcement are tested under monotonic downward loading. The shear strength of the tested specimens were compared with the prediction by design code and Choi's method.
Concrete-encased steel (CES) beam, in which structural steel is encased in a reinforced concrete (RC) section, is widely applied in high-rise buildings as transfer beams due to its high load-carrying capacity, great stiffness, and good durability. However, these CES beams are prone to shear failure because of the low shear span-to-depth ratio and the heavy load. Due to the high load-carrying capacity and the brittle failure process of the shear failure, the accurate strength prediction of CES beams significantly influences the assessment of structural safety. In current design codes, design formulas for predicting the shear strength of CES beams are based on the so-called "superposition method". This method indicates that the shear strength of CES beams can be obtained by superposing the shear strengths of the RC part and the steel shape. Nevertheless, in some cases, this method yields errors on the unsafe side because the shear strengths of these two parts cannot be achieved simultaneously. This paper clarifies the conditions at which the superposition method does not hold true, and the shear strength of CES beams is investigated using a compatible truss-arch model. Considering the deformation compatibility between the steel shape and the RC part, the method to obtain the shear strength of CES beams is proposed. Finally, the proposed model is compared with other calculation methods from codes AISC 360 (USA, North America), Eurocode 4 (Europe), YB 9082 (China, Asia), JGJ 138 (China, Asia), and AS/NZS 2327 (Australia/New Zealand, Oceania) using the available test data consisting of 45 CES beams. The results indicate that the proposed model can predict the shear strength of CES beams with sufficient accuracy and safety. Without considering the deformation compatibility, the calculation methods from the codes AISC 360, Eurocode 4, YB 9082, JGJ 138, and AS/NZS 2327 lead to excessively conservative or unsafe predictions.
The behavior of connections between open sandwich slabs and double steel skin composite walls in steel plate-concrete(SC) structure is investigated by a series of experimental programs to identify the roles of components in the transfer of forces. Such connections are supposed to transfer shear by the action of friction on the interface between the steel surface and the concrete surface, as well as the shear resistance of the bottom steel plate attached to the wall. Experimental observation showed that shear transfer in slabs subjected to shear in short spans is explained by direct force transfer via diagonal struts and indirect force transfer via truss actions. Shear resistance at the interface is enhanced by the shear capacity of the shear plate as well as friction caused by the compressive force along the wall plate. Shear friction resistance along the wall plate was deduced from experimental observation. Finally, the appropriate design strength of the connection is proposed for a practical design purpose.
Wang, Quanfeng;Guo, Zixiong;Hoogenboom, Pierre C.J.
Structural Engineering and Mechanics
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제21권2호
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pp.221-235
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2005
In this paper, the shear resistance behaviour of reinforced concrete (RC) dapped end beams is investigated by 24 tests until failure load. The main parameters considered are the dapped end height, the type and effective range to provided the stirrups and the bent form of the longitudinal reinforcement. The failure behaviour of dapped end beams is presented and some conclusions are given. Inclined stirrups and longitudinal bent reinforcement have more influence on the shear capacity than vertical stirrups. Additionally, the shear mechanism of dapped end beams is analysed. Relatively simple semi-empirical equations for shear strength have been derived based on the results of 22 dapped end beams. The predicted results are in close agreement with the experimental ones. Finally, some design suggestions for the ultimate shear strength of dapped end beams are presented.
Current building structural standards require the shear strength and rigidity in the design of vertical construction joints in a slurry wall. This paper proposes a shear key resistance method for shear connection of vertical construction joints, and compares its structural performance with the currently prevalent method of shear friction rebar. The study found the structural performance of the shear key resistance method was significantly better than that of the shear friction rebar method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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