David Medall;Carmen Ibanez;Ana Espinos;Manuel L. Romero
Steel and Composite Structures
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v.49
no.5
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pp.533-546
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2023
Cost-effective solutions provided by composite construction are gaining popularity which, in turn, promotes the appearance on the market of new types of composite sections that allow not only to take advantage of the synergy of steel and concrete working together at room temperature, but also to improve their behaviour at high temperatures. When combined with high performance materials, significant load-bearing capacities can be achieved even with reduced cross-sectional dimensions. Steel-reinforced concrete-filled steel tubular (SR-CFST) columns are one of these innovative composite sections, where an open steel profile is embedded into a CFST section. Besides the renowned benefits of these typologies at room temperature, the fire protection offered by the surrounding concrete to the inner steel profile, gives them an enhanced fire performance which delays its loss of mechanical capacity in a fire scenario. The experimental evidence on the fire behaviour of SR-CFST columns is still scarce, particularly when combined with high performance materials. However, it is being much needed for the development of specific design provisions that consider the use of the inner steel profile in CFST columns. In this work, a new experimental program on the thermo-mechanical behaviour of SR-CFST columns is presented to extend the available experimental database. Ten SR-CFST stub columns, with circular and square geometries, combining high strength steel and concrete were tested. It was seen that the circular specimens reached higher failure times than the square columns, with the failure time increasing both when high strength steel was used at the embedded steel profile and high strength concrete was used as infill. Finally, different proposals for the reduction coefficients of high performance materials were assessed in the prediction of the cross-sectional fire resistance of the SR-CFST columns.
This paper presents numerical simulations of partially encased composite columns (PEC) with equivalent steel sections. The composite section of PEC column consists of thin walled welded H- shaped steel section with transverse links provided at regular intervals between the flanges. Concrete is poured in the space between the flanges and the web plate. Most of the structural analysis and design software do not handle such composite members due to highly nonlinear material behavior of concrete as well as due to the complex interfacial behaviour of steel and concrete. In this paper an attempt has been made to replace the steel concrete composite section by an equivalent steel section which can be easily incorporated in the design and analysis software. The methodology used for the formulation of the equivalent steel section is described briefly in the paper. Finite element analysis is conducted using the equivalent steel section of partially encased composite columns tested under concentric gravity loading. The reference test columns are obtained from the literature, encompassing a variety of geometric and material properties. The finite element simulations of the composite columns with equivalent steel sections are found to predict the experimental behaviour of partially encased composite columns with very good accuracy.
The objective of this study is to investigate the maximum strength of stainless steel rectangular hollow section columns and beam-columns by using numerical analysis. Stress-strain relationships are modeled based on coupon tests results, and their influences on the maximum strength of columns and beam-columns are discussed. The analysis results are compared with the formula for the limit state design code of steel structures. It is ascertained that the design code for the stainless steel is needed to use stainless steel for the members of architectural structures.
The results of tests conducted on 11 concrete-filled steel tubular columns were reported. Concrete was partially filled in circular steel tubular columns. The primary test parameters were radius and thickness of steel tubes, concrete height, loading patterns and attachment of diaphragm and studs. Concrete strain was measured directly by embedding strain gauges so that the effect of diaphragm on concrete confinement could be investigated. The effects of concrete height and diaphragm on ultimate strength and ductility of steel tubes were investigated. The comparisons of the test results with the existing results for rectangular cross-sections were made on the basis of ultimate strength and ductility of concrete-filled steel tubular columns.
Iman Saffarian;Gholam Reza Atefatdoost;Seyed Abbas Hosseini;Leila Shahryari
Computers and Concrete
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v.31
no.6
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pp.513-525
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2023
This research presents the experimental and theoretical evaluations on circular steel-fiber-reinforced-concrete (SFRC) columns reinforced by glass-fiber-reinforced-polymer (GFRP) rebar under the axial compressive loading. Test programs were designed to investigate and compare the effect of different parameters on the structural behavior of columns by performing tests. Theses variables included conventional concrete (CC), fiber concrete (FC), steel/GFRP longitudinal rebars, and transversal rebars configurations. A total of 16 specimens were constructed and categorized into four groups in terms of different rebar-concrete configurations, including GFRP-rebar-reinforced-CC columns (GRCC), GFRP-rebar-reinforced-FC columns (GRFC), steel-rebar-reinforced-CC columns (SRCC) and steel-rebar- reinforced-FC columns (SRFC). Experimental observations displayed that failure modes and cracking patterns of four groups of columns were similar, especially in pre-peak branches of load-deflection curves. Although the average ultimate axial load of columns with longitudinal GFRP rebars was obtained by 17.9% less than the average ultimate axial load of columns with longitudinal steel rebars, the average axial ductility index (DI) of them was gained by 10.2% higher than their counterpart columns. Adding steel fibers (SFs) into concrete led to the increases of 7.7% and 6.7% of the axial peak load and the DI of columns than their counterpart columns with CC. The volumetric ratio had greater efficiency on peak loads and DIs of columns than the type of transversal reinforcement. A simple analytical equation was proposed to predict the axial compressive capacity of columns by considering the axial involvement of longitudinal GFRP rebars, volumetric ratio, and steel spiral/hoop rebar. There was a good correlation between test results and predictions of the proposed equation.
To investigate the axial compressive performance of the recycled aggregate concrete (RAC) filled glass fiber reinforced polymer (GFRP) tube and profile steel composite columns, static loading tests were carried out on 18 specimens under axial loads in this study, including 7 RAC filled GFRP tube columns and 11 RAC filled GFRP tube-profile steel composite columns. The design parameters include recycled coarse aggregate (RCA) replacement percentage, profile steel ratio, slenderness ratio and RAC strength. The failure process, failure modes, axial stress-strain curves, strain development and axial bearing capacity of all specimens were mainly analyzed in detail. The experimental results show that the GFRP tube had strong restraint ability to RAC material and the profile steel could improve the axial compressive performance of the columns. The failure modes of the columns can be summarized as follow: the profile steel in the composite columns yielded first, then the internal RAC material was crushed, and finally the fiberglass of the external GFRP tube was seriously torn, resulting in the final failure of columns. The axial bearing capacity of the columns decreased with the increase of RCA replacement percentage and the maximum decreasing amplitude was 11.10%. In addition, the slenderness ratio had an adverse effect on the axial bearing capacity of the columns. However, the strength of the RAC material could effectively improve the axial bearing capacity of the columns, but their deformability decreased. In addition, the increasing profile steel ratio contributed to the axial compressive capacity of the composite columns. Based on the above analysis, a formula for calculating the bearing capacity of composite columns under axial compression load is proposed, and the adverse effects of slenderness ratio and RCA replacement percentage are considered.
To investigate and evaluate the seismic damage behaviors of steel reinforced recycled concrete (SRRC) filled circular steel tube composite columns, in this study, the cyclic loading tests of 11 composite columns was carried out by using the load-displacement joint control method. The seismic damage process, hysteretic curves and performance indexes of composite columns were observed and obtained. The effects of replacement rates of recycled coarse aggregate (RCA), diameter thickness ratio, axial compression ratio, profile steel ratio and section form of profile steel on the seismic damage behaviors of composite columns were also analyzed in detail. The results show that the failure model of columns is a typical bending failure under the combined action of horizontal loads and vertical loads, and the columns have good energy dissipation capacity and ductility. In addition, the replacement rates of RCA have a certain adverse effect on the seismic bearing capacity, energy consumption and ductility of columns. The seismic damage characteristics of composite columns are revealed according to the failure modes and hysteretic curves. A modified Park-Ang seismic damage model based on the maximum displacement and cumulative energy consumption was proposed, which can consider the adverse effect of RAC on the seismic damage of columns. On this basis, the performance levels of composite columns are divided into five categories, The interlayer displacement angle and damage index are used as the damage quantitative indicators of composite columns, and the displacement angle limits of composite columns at different performance levels under 80% assurance rate are calculated as 1/105, 1/85, 1/65, 1/28, and 1/25 respectively. On this basis, the damage index limits corresponding to each performance level are calculated as 0.045, 0.1, 0.48, 0.8, and 1.0 respectively. Finally, the corresponding relations among the performance levels, damage degrees, interlayer displacement angles and damage indexes of composite columns are established. The conclusions can provide reference for the seismic design of SRRC filled circular steel tube composite columns, it fills the vacancy in the research on seismic damage of steel reinforced recycled concrete (SRRC) filled circular steel tube composite columns.
Jung In Keun;Min Jin;Shim Chang Su;Chung Young Soo
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.97-100
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2004
Steel encased composite columns are widely used due to their excellent structural performance in terms of stiffness, strength, and ductility. However, experimental studies were usually for the columns having higher steel ratio $(3-4\%)$. There are two different design concepts for SRC columns. ACI-318 specifies the design strength of the column using the same concept of reinforced concrete columns. AISC-LRFD specifies the P-M diagram using the concept of steel column. In this paper, SRC columns have the steel ratio of $0.53\%\;and\;1.06\%$. From the test results, ACI-318 specifications showed better evaluation of SRC columns having low steel ratio. H beam and steel tube partially filled with concrete were embedded in concrete. Flexural tests showed considerably high ductility.
Concrete-filled steel tubular columns with double inner steel tubes (CFST-DIST) are a novel type of composite members developed from conventional concrete-filled steel tubular (CFST) columns. This paper investigates the structural performance of circular CFST-DIST stub columns using nonlinear finite element (FE) analysis. A numerical model was developed and verified against existing experimental test results. The validated model was then used to compare circular CFST-DIST stub columns' behavior with their concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) and CFST counterparts. A parametric study was performed to ascertain the effects of geometric and material properties on the axial performance of CFST-DISTs. The FE results and the available test data were used to assess the accuracy of the European and American design regulations in predicting the axial compressive capacity of circular CFST-DIST stub columns. Finally, a new design model was recommended for estimating the compressive capacity of CFST-DISTs. Results clarified that circular CFST-DIST columns had the advantages of their CFST counterparts but with better ductility and strength-to-weight ratio. Besides, the investigated design codes led to conservative predictions of the compressive capacity of circular CFST-DIST columns.
Self-compacting Concrete (SCC) Filled Square steel Tubes (SCFST) was used to strengthen square RC columns. To establish the efficiency of this strengthening method, 17 columns were tested under axial compression loading including 3 RC columns without any strengthening (WRC), 1 RC column strengthened with concrete jacket (CRC), 13 RC columns strengthened with self-compacting concrete filled square steel tubes (SRC). The experimental results showed that the use of SCFST is interesting since the ductility and the bearing capacity of the RC columns are greatly improved. The improvement ratio is significantly affected by the nominal wall thickness of steel tubes (t), the strength grade of strengthening concrete (C), and the length-to-width ratio (L / B) of the specimens. In order to quantitatively analyze the effect of these test parameters on axial loading behavior of the SRC columns, three performance indices, enhancement ratio (ER), ductility index (DI), and confinement ratio (CR), were used. The strength of the SRC columns obtained from the experiments was then employed to verify the proposed mode referring to the relevant codes. It was found that codes DBJ13-51 could relatively predict the strength of the SRC columns accurately, and codes AIJ and BS5400 were relatively conservative.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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