Until now, a comparative study on fully and partially-connected steel shear walls leading to enhancing strength and stiffness reduction of partially-connected steel plate shear wall structures has not been reported. In this paper a number of 4-story and 8-story steel plate shear walls, are considered with three different connection details of infill plate to surrounding frame. The specimens are modeled using nonlinear finite element method verified excellently with the experimental results and analyzed under monotonic loading. A comparison between initial stiffness and shear strength of models as well as percentage of shear force by model boundary frame and infill plate are performed. Moreover, a comparison between energy dissipation, ductility factor and distribution of Von-Mises stresses of models are presented. According to the results, the initial stiffness, shear resistance, energy dissipation and ductility of the models with beam-only connected infill plates (SSW-BO) is found to be about 53%, 12%, 15% and 48% on average smaller than those of models with fully-connected infill plates (SPSW), respectively. However, performance characteristics of semi-supported steel shear walls (SSSW) containing secondary columns by simultaneously decreasing boundary frame strength and increasing thickness of infill plates are comparable to those of SPSWs. Results show that by using secondary columns as well as increasing thickness of infill plates, the stress demands on boundary frame decreases substantially by as much as 35%. A significant increase in infill plate share on shear capacity by as much as 95% and 72% progress for the 4-story SSW-BO and 8-story SSSW8, respectively, as compared with non-strengthened counterparts. A similar trend is achieved by strengthening secondary columns of 4-story SSSW leading to an increase of 50% in shear force contribution of infill plate.
This paper presents an experimental work on the post-fire behavior of two kinds of innovative composite stub columns under eccentric compression. The partially precast steel reinforced concrete (PPSRC) column is composed of a precast outer-part cast using steel fiber reinforced reactive powder concrete (RPC) and a cast-in-place inner-part cast using conventional concrete. Based on the PPSRC column, the hollow precast steel reinforced concrete (HPSRC) column has a hollow column core. With the aim to investigate the post-fire performance of these composite columns, six stub column specimens, including three HPSRC stub columns and three PPSRC stub columns, were exposed to the ISO834 standard fire. Then, the cooling specimens and a control specimen unexposed to fire were eccentrically loaded to explore the residual capacity. The test parameters include the section shape, concrete strength of inner-part, eccentricity ratio and heating time. The test results indicated that the precast RPC shell could effectively confine the steel shape and longitudinal reinforcements after fire, and the PPSRC stub columns experienced lower core temperature in fire and exhibited higher post-fire residual strength as compared with the HPSRC stub columns due to the insulating effect of core concrete. The residual capacity increased with the increasing of inner concrete strength and with the decreasing of heating time and load eccentricity. Based on the test results, a FEA model was established to simulate the temperature field of test specimens, and the predicted results agreed well with the test results.
Semi-rigid joints have been widely studied in literature in recent decades because they affect greatly the structural response of frames. In literature, the behavior of semi-rigid joints is commonly assumed to be identical under positive and negative moments which are obviously incorrect in many cases where joint details such as bolt arrangement or placement of haunch are vertically asymmetrical. This paper evaluates two common types of steel frames with asymmetrical beam-to-column joints by Direct Analysis allowing for plasticity. A refined design method of steel frames using a proposed simple forth order curved-quartic element with an integrated joint model allowing for asymmetrical geometric joint properties is presented. Furthermore, the ultimate behavior of six types of asymmetrical end-plate connections under positive and negative moment is examined by the Finite Element Method (FEM). The FEM results are further applied to the proposed design method with the curved-quartic element for Direct Analysis of two types of steel frames under dominant gravity or wind load. The ultimate frame behavior under the two different scenarios are examined with respect to their failure modes and considerably different structural performances of the frames were observed when compared with the identical frames designed with the traditional method where symmetrical joints characteristics were assumed. The finding of this research contributes to the design of steel frames as their asymmetrical beam-to-column joints lead to different frame behavior when under positive and negative moment and this aspect should be incorporated in the design and analysis of steel frames. This consideration of asymmetrical joint behavior is recommended to be highlighted in future design codes.
Nie, Shaofeng;Zhou, Tianhua;Liao, Fangfang;Yang, Donghua
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.4
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pp.499-511
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2019
In this study, the axial compressive behavior of novel quadruple C-channel built-up cold-formed steel columns with different slenderness ratio was investigated, using the experimental and numerical analysis. The axial compressive capacity and failure modes of the columns were obtained and analyzed. The finite element models considering the geometry, material and contact nonlinearity were developed to simulate and analyze the structural behavior of the columns further. There was a great correlation between the numerical analyses and test results, which indicated that the finite element model was reasonable and accurate. Then influence of, slenderness ratio, flange width-to-thickness ratio and screw spacing on the mechanical behavior of the columns were studied, respectively. The tests and numerical results show that due to small slenderness ratio, the failure modes of the specimens are generally local buckling and distortional buckling. The axial compressive strength and stiffness of the quadruple C-channel built-up cold-formed steel columns decrease with the increase of maximum slenderness ratio. When the screw spacing is ranging from 150mm to 450mm, the axial compressive strength and stiffness of the quadruple C-channel built-up cold-formed steel columns change little. The axial compressive capacity of quadruple C-channel built-up cold-formed steel columns increases with the decrease of flange width-thickness ratio. A modified effective length factor is proposed to quantify the axial compressive capacity of the quadruple C-channel built-up cold-formed steel columns with U-shaped track in the ends.
Mohabeddine, Anis I.;Eshaghi, Cyrus;Correia, Jose A.F.O.;Castro, Jose M.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.4
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pp.447-456
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2022
Recent experimental studies showed that deep steel I-shaped profiles classified as high ductility class sections in seismic design international codes exhibit low deformation capacity when subjected to cyclic loading. This paper presents an innovative retrofit solution to increase the rotation capacity of beams using bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) patches validated with advanced finite element analysis. This investigation focuses on the flexural cyclic behaviour of I-shaped hot rolled steel deep section used as beams in moment-resisting frames (MRF) retrofitted with CFRP patches on the web. The main goal of this CFRP reinforcement is to increase the rotation capacity of the member without increasing the overstrength in order to avoid compromising the strong column-weak beam condition in MRF. A finite element model that simulates the cyclic plasticity behavior of the steel and the damage in the adhesive layer is developed. The damage is modelled using the cohesive zone modelling (CZM) technique that is able to capture the crack initiation and propagation. Details on the modelling techniques including the mesh sensitivity near the fracture zone are presented. The effectiveness of the retrofit solution depends strongly on the selection of the appropriate adhesive. Different adhesive types are investigated where the CZM parameters are calibrated from high fidelity fracture mechanics tests that are thoroughly validated in the literature. This includes a rigid adhesive commonly found in the construction industry and two tough adhesives used in the automotive industry. The results revealed that the CFRP patch can increase the rotation capacity of a steel member considerably when using tough adhesives.
In this article, the flexural and shear capacity of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete beams (UHPFRC) using two kinds of rebars, including GFRP and steel rebars, are experimentally investigated. For this purpose, six UHPFRC beams (250 × 300 × 1650 mm) with three reinforcement ratios (ρ) of 0.64, 1.05, and 1.45 were constructed using 2% steel fibers by volume. Half of the specimens were made of UHPFRC reinforced with GFRP rebars, while the other half were reinforced with conventional steel rebars. All specimens were tested to failure in four-point bending. Both the load-deformation at mid-span and the failure pattern were studied. The results showed that utilizing GFRP bars increases the flexural strength of UHPFRC beams in comparison to those made of steel bars, but at the same time, it reduces the post-cracking strain hardening. Furthermore, by increasing the percentage of longitudinal bars, both the post-cracking strain hardening and load-bearing capacity increase. Comparing the experiment results with some of the available equations and provisions cited in the valid design codes reveals that some of the equations to predict the flexural strength of UHPFRC beams reinforced with conventional steel and GFRP bars are reasonably conservative, while Khalil and Tayfur model is un-conservative. This issue makes it essential to modify the presented equations in this research for predicting the flexural strength of UHPFRC beams using GFRP bars.
Steel is becoming increasingly popular due to its high strength, excellent ductility, great assembly performance, and recyclability. In reality, steel structures serving for a long time in atmospheric, industrial, and marine environments inevitably suffer from corrosion, which significantly decreases the durability and the service life with the exposure time. For the mechanical properties of corroded steel, experimental studies are mainly conducted. The existing numerical analyses only evaluate the mechanical properties based on corroded morphology at the isolated time-in-point, ignoring that this morphology varies continuously with corrosion time. To solve this problem, the relationships between pit depth expectation, standard deviation, and corrosion time are initially constructed based on a large amount of wet-dry cyclic accelerated test data. Successively, based on that, an in-situ pitting evolution method for evaluating the residual tensile strength of corroded steel is proposed. To verify the method, 20 repeated simulations of mass loss rates and mechanical properties are adopted against the test results. Then, numerical analyses are conducted on 135 models of corrosion pits with different aspect ratios and uneven corrosion degree on two corroded surfaces. Results show that the power function with exponents of 1.483 and 1.091 can well describe the increase in pit depth expectation and standard deviation with corrosion time, respectively. The effect of the commonly used pit aspect ratios of 0.10-0.25 on yield strength and ultimate strength is negligible. Besides, pit number ratio α equating to 0.6 is the critical value for the strength degradation. When α is less than 0.6, the pit number increases with α, accelerating the degradation of strength. Otherwise, the strength degradation is weakened. In addition, a power function model is adopted to characterize the degradation of yield strength and ultimate strength with corrosion time, which is revised by initial steel plate thickness.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.12
no.4
s.27
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pp.253-259
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2006
This paper investigated on anti-corrosion characteristic in chemical decontamination at extremely severe condition{process model-2) of stainless steels used with reactor coolant pump. The electrochemical properties of stainless steel{STS) 304 with the lapse qf cycle is better than those of STS 415 and STS 431. The STS 304 in process model-1 and process model-2 present the lowest weightloss ratio. The experiment results for STS 304, STS 415, and STS 431 in process model-2 solution, it was ascertained that weightloss ratio of process model-2 solution for process model-1 solution show 2..908, 2.572, and 2.370 times, respectively. The reason suggests that process model-2 is higher concentration of chemical and temperature compare to process model-1.
In the present paper, the fiber theory has been employed to model the reinforced concrete (RC) deep beams (DBs) considering the reinforcing steel bar-concrete interaction. To simulate numerically the behavior of materials, the uniaxial materials' constitutive laws have been employed for reinforcements and concrete and the bond stress-slip between the reinforcing steel bars and surrounding concrete are taken into account. Because of the high sensitivity of DBs to shear deformations, the Timoshenko beam theory has been applied. The shear stress-strain (S-SS) relationship has been defined by the modified compression field theory (MCFT) model. By modeling about 300 RC panels and employing a produced numerical database, a study has been carried out to show the sensitivity of the MCFT model. This is performed based on the multiple linear regression (MLR) models. The results of this research also illustrate how different parameters such as characteristic compressive strength of concrete, yield strength of reinforcements and the percentages of reinforcements in different directions get involved in the shear behavior of RC panels without applying complex theories. Based on the results obtained from the analysis of the MCFT S-SS model, a relatively simplified numerical S-SS model has been proposed. Application of the proposed S-SS model in modeling and analyzing the considered samples indicates that there is a good agreement between the simulated and the experimental test results. The comparison between the proposed S-SS model and the MCFT model indicates that in addition to the advantage of better accuracy, the main advantage of the proposed method is simplicity in application.
Kim, Sang-Hoon;Moon, Joon-Oh;Lee, Yoon-Ki;Jeong, Hong-Chul;Lee, Chang-Hee
Journal of Welding and Joining
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v.28
no.3
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pp.104-113
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2010
In this study, to predict the microstructure in weld HAZ of low alloyed steel, prediction model for the phase transformation considering the influence of prior austenite grain size and cooling rate was developed. For this study, six low alloyed steels were designed and the effect of alloying elements was also investigated. In order to develop the prediction model for ferrite transformation, isothermal ferrite transformation behaviors were analyzed by dilatometer system and 'Avrami equation' which was modified to consider the effect of prior austenite grain size. After that, model for ferrite phase transformation during continuous cooling was proposed based on the isothermal ferrite transformation model through applying the 'Additivity rule'. Also, start temperatures of ferrite transformation were predicted by $A_{r3}$ considering the cooling rate. CCT diagram was calculated through this model, these results were in good agreement with the experimental results. After ferrite transformation, bainite transformation was predicted using Esaka model which corresponded most closely to the experimental results among various models. The start temperatures of bainite transformation were determined using K. J. Lee model. Phase fraction of martensite was obtained according to phase fractions of ferrite and bainite.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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