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.
This paper first presents an experimental study of twelve specimens for their creep performance, including nine concrete-filled steel tubular (CFST) columns and three plain concrete columns, subjected to three levels of sustained axial loads for 1710 days. Then, the creep strain curves are predicted from the existing creep models including the ACI 209 model, the MC 78 model, and the MC 90 model, and further a fitted creep model is obtained by experimental data. Finally, the creep effects of a CFST arch bridge are analyzed to compare the accuracy of the existing creep models. The experimental results show that the creep strains in CFST specimens are far less than in the plain concrete specimens and still increase after two years. The ACI 209 model outperforms the MC 78 model and the MC 90 model when predicting the creep behavior of the CFST specimens. Analysis results indicate that the creep effects in the CFST arch bridge are significant. The deflections and stresses calculated by the ACI 209 model are the closest to the fitted model in the three existing models, demonstrating that the ACI 209 model can be used for creep analysis of CFST arch bridges and can meet the engineering accuracy requirement when lack of experimental data.
The purpose of this work is to predict ductile fracture of structural steel under extremely low cyclic loading experienced in earthquake. A cumulative damage model is proposed on the basis of an existing damage model originally aiming to predict fracture under monotonic loading. The cumulative damage model assumes that damage does not grow when stress triaxiality is below a threshold and fracture occurs when accumulated damage reach unit. The model was implemented in ABAQUS software. The cumulative damage model parameters for steel base metal, weld metal and heat affected zone were calibrated, respectively, through testing and finite element analyses of notched coupon specimens. The damage evolution law in the notched coupon specimens under different loads was compared. Finally, in order to examine the engineering applicability of the proposed model, the fracture performance of beam-column welded joints reported by previous researches was analyzed based on the cumulative damage model. The analysis results show that the cumulative damage model is able to successfully predict the cracking location, fracture process, the crack initiation life, and the total fatigue life of the joints.
Ipek, Suleyman;Erdogan, Aysegul;Guneyisi, Esra Mete
Steel and Composite Structures
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v.44
no.1
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pp.119-139
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2022
This paper aims to use the artificial intelligence approach to develop a new model for predicting the ultimate axial strength of the circular concrete-filled steel tubular (CFST) stub columns. For this, the results of 314 experimentally tested circular CFST stub columns were employed in the generation of the design model. Since the influence of the column diameter, steel tube thickness, concrete compressive strength, steel tube yield strength, and column length on the ultimate axial strengths of columns were investigated in these experimental studies, here, in the development of the design model, these variables were taken into account as input parameters. The model was developed using the backpropagation algorithm named Bayesian Regularization. The accuracy, reliability, and consistency of the developed model were evaluated statistically, and also the design formulae given in the codes (EC4, ACI, AS, AIJ, and AISC) and the previous empirical formulations proposed by other researchers were used for the validation and comparison purposes. Based on this evaluation, it can be expressed that the developed design model has a strong and reliable prediction performance with a considerably high coefficient of determination (R-squared) value of 0.9994 and a low average percent error of 4.61. Besides, the sensitivity of the developed model was also monitored in terms of dimensional properties of columns and mechanical characteristics of materials. As a consequence, it can be stated that for the design of the ultimate axial capacity of the circular CFST stub columns, a novel artificial intelligence-based design model with a good and robust prediction performance was proposed herein.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.56
no.3
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pp.11-17
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2014
We investigated the applicability of steel slag as a capping material in order to minimize phosphorus(P) release into seawater. Steel slag is a byproduct from the iron and steel industries and the use of steel slag has some advantages in respect of both cost and environmental concern. P removal by steel slag were studied in a batch system with respect to changes in contact time and initial concentration. Kinetic adsorption data were described well by pseudo 2nd order model, indicating rate limiting step for P adsorption to steel slag is chemical sorption. Equilibrium adsorption data fitted well to Langmuir isotherm model which describes for single layer adsorption. The maximum P adsorption capacity of steel slag was 7.134 mg-P/L. Increasing the depth of steel slag produced a positive effect on interruption of P release. More than 3 cm of steel slag was effective for blocking P release and 5 cm of steel slag was recommended as the depth for capping of P contaminated marine sediments. Increasing P concentration and flow rate had a negative effect on P removal ratio. It was concluded that the steel slag has a potential capping material for blocking P release from marine sediments.
Although a lot of experimental and analytical investigations have been carried out for steel bridge piers made of SS400 and SM490, the formulas available for SS400 and SM490 are not suitable for evaluating ultimate load and deformation capacities of steel bridge piers made of high strength steel (HSS) SM570. The effect of various parameters is investigated in this paper, including plate width-to-thickness ratio, column slenderness ratio and axial compression force ratio, on the ultimate load and deformation capacities of steel bridge box piers made of SM570 steel subjected to cyclic loading. The elasto-plastic behavior of the steel bridge piers under cyclic loads is simulated through plastic large deformation finite element analysis, in which a modified two-surface model (M2SM) including cyclic hardening is employed to trace the material nonlinearity. An extensive parametric study is conducted to study the influences of structural parameters on the ultimate load and deformation capacities. Based on these analytical investigations, new formulas for predicting ultimate load and deformation capacities of steel bridge piers made of SM570 are proposed. This study extends the ultimate load and deformation capacities evaluation of steel bridge piers from SS400, SM490 steels to SM570 steel, and provides some useful suggestions.
Recently, steel-timber hybrid buildings have become prevalent worldwide because several advantages of both steel and timber structures are maintained in the hybrid system. In Taiwan, seismic design specification related to steel-timber hybrid buildings remains void. In this study, the ductility capacity of steel-timber hybrid buildings in Taiwanese seismic design specification is first proposed and evaluated using nonlinear incremental dynamic analysis (IDA). Three non-linear structural models, 12-story, 8-story, and 6-story steel-timer hybrid buildings were constructed using OpenSees. In each model, Douglas-fir was adopted to assemble the upper 4 stories as a timber structure while a conventional steel moment-resisting frame was designated in the lower part of the model. FEMA P-695 methodology was employed to perform IDAs considering 44 earthquakes to assess if the ductility capacity of steel-timber hybrid building is appropriate. The analytical results indicate that the current ductility capacity of steel moment-resisting frames can be directly applied to steel-timber hybrid buildings if the drift ratio of each story under the seismic design force for buildings in Taiwan is less than 0.3%. As a result, engineers are able to design a steel-timber hybrid building straightforwardly by following current design specification. Otherwise, the ductility capacity of steel-timber hybrid buildings must be modified which depends on further studies in the future.
This paper presents a combined experimental and numerical study on stainless steel end-plate connections, with an emphasis placed on their ultimate behaviour and rotation capacity. In the experimental phase, six connection specimens made of austenitic and lean duplex stainless steels are tested under monotonic loads. The tests are specifically designed to examine the close-to-failure behaviour of the connections at large deformations. It is observed that the rotation capacity is closely related to fractures of the stainless steel bolts and end-plates. In the numerical phase, an advanced finite element model suitable for fracture simulation is developed. The incorporated constitutive and fracture models are calibrated based on the material tests of stainless steel bolts and plates. The developed finite element model exhibits a satisfactory accuracy in predicting the close-to-failure behaviour of the tested connections. Finally, the moment resistance and rotation capacity of stainless steel end-plate connections are assessed based on the experimental tests and numerical analyses.
This paper presents an investigation of the thermal performance of composite floor slabs with profiled steel decking exposed to fire effects from floor. A detailed finite-element model has been developed by representing the concrete slab with steel decking under of it and steel beam both steel parts protected by intumescent coating. Although this type of floor systems offers a better fire resistance, passive fire protection materials should be applied when a higher fire resistance is desired. Moreover, fire exposed side is so crucial for composite slab systems as the total fire behaviour of the floor system changes dramatically. When the fire attack from steel parts, the temperature rises rapidly resulting in a sudden decrease on the strength of the beam and decking. Herein this paper, the fire attack side is assumed from the face of the concrete floor (top of the concrete assembly). Therefore, the heat is transferred through concrete to the steel decking and reaching finally to the steel beam both protected by intumescent coating. In this work, the numerical model has been established to predict the heat transfer performance including material properties such as thermal conductivity, specific heat and dry film thickness of intumescent coating. The developed numerical model has been divided into different layers to understand the sensitivity of steel temperature to the number of layers of intumescent coating. Results show that the protected composite floors offer a higher fire resistance as the temperature of the steel section remains below 60℃ even after 60-minute Standard (ISO) fire and Fast fire exposure. Obtaining lower temperatures in steel due to the great fire performance of the concrete itself results in lesser reductions of strength and stiffness hence, lesser deflections.
To study the mechanical properties of steel reinforced recycled concrete (SRRC) filled circular steel tube columns under eccentric compression loads, this study presents a finite element model which can simulate the eccentrically compressed columns using ABAQUS software. The analytical model was established by selecting the reasonable nonlinear analysis theory and the constitutive relationship of materials in the columns. The influences of design parameters on the eccentric compressive performance of columns were also considered in detail, such as the diameter-thickness ratio of circular steel tube, replacement percentage of recycled coarse aggregate (RCA), slenderness ratio, eccentricity, recycled aggregate concrete (RAC) strength and steel strength and so on. The deformation diagram, stress nephogram and load-displacement curves of the eccentrically compressed columns were obtained and compared with the test results of specimens. The results show that although there is a certain error between the calculation results and the test results, the error is small, which shows the rationality on the numerical model of eccentrically compressed columns. The failure of the columns is mainly due to the symmetrical bending of the columns towards the middle compression zone, which is a typical compression bending failure. The eccentric bearing capacity and deformation capacity of columns increase with the increase of the strength of steel tube and profile steel respectively. Compared with profile steel, the strength of steel tube has a greater influence on the eccentric compressive performance of columns. Improving the strength of RAC is beneficial to the eccentric bearing capacity of columns. In addition, the eccentric bearing capacity and deformation capacity of columns decrease with the increase of replacement percentage of RCA. The section form of profile steel has little influence on the eccentric compression performance of columns. On this basis, the calculation formulas on the nominal eccentric bearing capacity of columns were also put forward and the results calculated by the proposed formulas are in good agreement with the test values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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