This paper presents a method using artificial neural networks (ANNs) to predict the residual moment capacity of thermally insulated reinforced concrete (RC) beams exposed to fire. The use of heat resistant insulation material protects concrete beams against the harmful effects of fire. If it is desired to calculate the residual moment capacity of the beams in this state, the determination of the moment capacity of thermally insulated beams exposed to fire involves several consecutive calculations, which is significantly easier when ANNs are used. Beam width, beam effective depth, fire duration, concrete compressive and steel tensile strength, steel area, thermal conductivity of insulation material can influence behavior of RC beams exposed to high temperatures. In this study, a finite difference method was used to calculate the temperature distribution in a cross section of the beam, and temperature distribution, reduction mechanical properties of concrete and reinforcing steel and moment capacity were calculated using existing relations in literature. Data was generated for 336 beams with different beam width ($b_w$), beam account height (h), fire duration (t), mechanical properties of concrete ($f_{cd}$) and reinforcing steel ($f_{yd}$), steel area ($A_s$), insulation material thermal conductivity (kinsulation). Five input parameters ($b_w$, h, $f_{cd}$, $f_{yd}$, $A_s$ and $k_{insulation}$) were used in the ANN to estimate the moment capacity ($M_r$). The trained model allowed the investigation of the effects on the moment capacity of the insulation material and the results indicated that the use of insulation materials with the smallest value of the thermal conductivities used in calculations is effective in protecting the RC beam against fire.
This paper summarizes the results of full-scale cyclic seismic performance tests on three column-tree type steel moment connections. Each test specimen consisted of a $H-600{\times}200$ beam and a $H-400{\times}400$ column of SS41 (SS400). Key parameter included was column PZ (panel zone) strength relative to beam strength. The seismic performance of specimen with stronger PZ tended to be inferior. Total plastic rotations available in the specimens ranged from 1.8 to 3.0 (% rad). The limited test results in this study seem to support the speculation that permitting PZ yielding shall be more beneficial to enhancing total plastic rotation capacity of the moment connection. Beam flange fracture across the heat affected zone and divot-type pullout of the column flange were observed in the tests. A conceptual mechanical model consistent with observed test results was also sought.
Yong, Hwan Sun;Kim, Yun Hwan;Park, Yong Chan;Song, Su Yeop
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.14
no.6
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pp.803-811
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2002
Current composite steel and concrete bridges are designed using full-interaction theory assuming there is no relative slip, between the steel and concrete components along their interface, because of the complexities of partial-interaction analysis techniques. However, in the assessment of existing composite bridges this simplification may not be warranted as it is often necesary to extract the correct capacity and endurance from the structure. This may only be achieved using partial-interaction theory which tuly reflects the behaviour of the structure. In this paper, Parametric analyses have been carried out in order to confirm the partial-interaction curvatures with deflection effect using the finite element method. Therefore, the model is considered for simply supported steel and concrete composite bridges with a uniform distribution of connectors subjected to a single concentrated load. For the case studies, this study applicate a parameters such as the number and space of stud shear connector and elastic modulus of concrete slabs. From this study, it is known that partial-interaction effect was in the increase to the increasing the deflection of composite bridges, and stiffness and strength of slab concrete considering the occurrence of crack effect seriously to the partial-interaction behavior.
Park, Yong Myung;Kang, Ji Hoon;Lee, Kun Joon;Kim, Hee Soon
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.26
no.6
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pp.581-594
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2014
In this paper, flexural resistance of hybrid girder under uniform bending moment was evaluated, which is composed of HSB800 and HSB600 steel for the flange and web, respectively. Doubly-symmetric and monosymmetric sections with noncompact or compact flange and slender, noncompact or compact web were considered. Nonlinear analyses with 3-dim. shell element model were performed to determine the 'flexural resistance of section' and the 'lateral torsional buckling strength' by taking initial imperfection and residual stress into account. The numerical results were compared with the AASHTO LRFD and Eurocode 3 specifications and also the applicability of AASHTO LRFD appendix A6 was examined for the sections with noncompact and compact web.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.5
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pp.509-516
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2010
In this study a seismic retrofit scheme for the reinforced concrete moment framed structures was investigated using steel bracing and moment frames. The analysis model structure is a 3-story 3-bay moment frame structure designed only for gravity load. The stress/strain concentration in brace-RC frame connection was investigated using finite element analysis. To prevent premature joint failure, steel moment frames were placed inside of middle bay of the RC frame. Two types of braces, steel braces and buckling restrained braces(BRBs), were used for retrofit, and the ductility and the strength of the structure before and after the retrofit were compared using nonlinear static and dynamic analyses. According to the analysis results, the strength and ductility of the structure retrofitted by the moment frames and braces increased significantly. The added steel frame did not contribute significantly to the increase of lateral strength mainly because the size is relatively small.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.05a
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pp.644-647
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2004
Modulus of rupture (MOR) and flexural toughness in hybrid fiber reinforced cement pastes mixed with micro-fiber (carbon fiber) and macro-fiber (steel fiber) and replaced with silica fume according to the fixed ratio were researched. Reinforcing efficiency in specimens were estimated by two factors, such as strengthening factor $(F_s)$ and toughening factor $(F_t)$, which were calculated from the analysis of variance (ANOVA) of the response values, such as MOR and absorbtion energy $(W_0)$. According to the experimental design by the fractional orthogonal array, nine hybrid fibrous reinforced paste series and one non-reinforced control paste were manufactured. Specimens of each series were tested by the INSTRON Inc. 8502(model) equipment in three-points bending and then measured the load-deflection response relationships. Considerable strengthening of cement pastes resulted in' the case of other factors without carbon fiber and toughening of cement pastes about all factors showed high. Based on the significance of factors related to response values from ANOVA, following assessments were available; $F_s$ or MOR: silica fume $\gg$ steel fiber $\gg$ carbon fiber; $F_t\;or\;W_0$: steel fiber > carbon fiber > silica fume. Optimized composition condition was estimated by steel fiber of $1.5\%$, carbon fiber of $0.5\%$ and silica fume $7.5\%$ in side of strengthening and steel fiber of $1.5\%$, carbon fiber of $0.75\%$ and silica fume $7.5\%$ in side of toughening.
The AASHTO wheel load distribution factor (LDF) equation has been with us since 1931 and has undergone minor modifications. In 1994, an entirely new procedure was introduced in the AASHTO LRFD code based on parametric studies and finite element analyses. However, this LDF equation involves a longitudinal stiffness parameter, the design of which is not initially known. Thus, an iterative procedure is required to correctly determine the LDF value. The increased level of complexity puts undue burden on the designer resulting in a higher likelihood for misinterpretation and error. In this study, based on current AASHTO LRFD framework, a new simplified equation is developed that does not require an iterative procedure. A total of 43 representative composite steel girder bridges are selected and analyzed using a finite element model.The new simplified equation produces LDF values that are always conservative when compared to those obtained from the finite element analyses and are generally greater than the LDF obtained using AASHTO LRFD specification. Therefore, the proposed simplified equation is expected to streamline the determination of LDF for bridge design without sacrificing safety.
Torres, Lluis;Barris, Cristina;Kaklauskas, Gintaris;Gribniak, Viktor
Structural Engineering and Mechanics
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v.53
no.5
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pp.997-1016
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2015
The contribution of tensioned concrete between cracks (tension-stiffening) cannot be ignored when analysing deformation of reinforced concrete elements. The tension-stiffening effect is crucial when it comes to adequately estimating the load-deformation response of steel reinforced concrete and the more recently appeared fibre reinforced polymer (FRP) reinforced concrete. This paper presents a unified methodology for numerical modelling of the tension-stiffening effect in steel as well as FRP reinforced flexural members using the concept of equivalent deformation modulus and the smeared crack approach to obtain a modified stress-strain relation of the reinforcement. A closed-form solution for the equivalent secant modulus of deformation of the tensioned reinforcement is proposed for rectangular sections taking the Eurocode 2 curvature prediction technique as the reference. Using equations based on general principles of structural mechanics, the main influencing parameters are obtained. It is found that the ratio between the equivalent stiffness and the initial stiffness basically depends on the product of the modular ratio and reinforcement ratio ($n{\rho}$), the effective-to-total depth ratio (d/h), and the level of loading. The proposed methodology is adequate for numerical modelling of tension-stiffening for different FRP and steel reinforcement, under both service and ultimate conditions. Comparison of the predicted and experimental data obtained by the authors indicates that the proposed methodology is capable to adequately model the tension-stiffening effect in beams reinforced with FRP or steel bars within wide range of loading.
In this study, in order to propose an efficient model to predict the torque capacity of steel fiber reinforced concrete (SFRC) beams, the existing experimental data related to torsional response of beams is reviewed. It is observed that existing data neglects the effects of some parameters on the variation of torque capacity. Thus, an experimental research was also conducted to obtain the effects of neglected parameters. In the experimental study, a total of seventeen SFRC beams are tested against torsion. The parameters considered in the experiments are concrete compressive strength, steel fiber aspect ratio, volumetric ratio of steel fibers and longitudinal reinforcement ratio. The effect of each parameter is discussed in terms of torque versus unit angle of twist graphs. The data obtained from this experimental research is also combined with the data got from previous studies and employed in artificial neural network (ANN) analysis to estimate the ultimate torque capacity of SFRC beams. In addition to parameters considered in the experiments, aspect ratio of beam cross-section, yield strengths of both transverse and longitudinal reinforcements, and transverse reinforcement ratio are also defined as parameters in ANN analysis due to their significant effects observed in previous studies. Assessment of the accuracy of ANN analysis in estimating the ultimate torque capacity of SFRC beams is performed by comparing the analytical and experimental results. Comparisons are conducted in terms of root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE) and coefficient of efficiency ($E_f$). The results of this study revealed that addition of steel fibers increases the ultimate torque capacity of reinforced concrete beams. It is also found that ANN is a powerful method and a feasible tool to estimate ultimate torque capacity of both normal and high strength concrete beams within the range of input parameters considered.
Nondestructive testing methods are required to assess the condition of civil structures and formulate their maintenance programs. Axial force identification is required for several structural members of truss bridges, pipe racks, and space roof trusses. An accurate evaluation of in situ axial forces supports the safety assessment of the entire truss. A considerable redistribution of internal forces may indicate structural damage. In this paper, a novel compressive force identification method for prismatic members implemented using static deflections is applied to steel beams. The procedure uses the Euler-Bernoulli beam model and estimates the compressive load by using the measured displacement along the beam's length. Knowledge of flexural rigidity of the member under investigation is required. In this study, the deflected shape of a compressed steel beam is subjected to an additional vertical load that was short-term measured in several laboratory tests by using fiber Bragg grating-differential settlement measurement (FBG-DSM) sensors at specific cross sections along the beam's length. The accuracy of midspan deflections offered by the FBG-DSM sensors provided excellent force estimations. Compressive load detection accuracy can be improved if substantial second-order effects are induced in the tests. In conclusion, the proposed method can be successfully applied to steel beams with low slenderness under real conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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