As it recently appears that LCC (Life Cycle Cost) analysis may be considered as an essential method for economic evaluation of infrastructures. Many researches have been made to assess LCC of each facility based on reasonable methods. However, expected maintenance repair cost must be reasonably estimated to enhance the reliability of LCC analysis through systematic and rational methods. This study is intended to propose a rational approach to reliability-based LCC analysis of high-speed railway steel bridges considering lifetime corrosion and fatigue damage. However in Korea, since high speed railway steel bridges are only recently constructed, no direct statistical data are available for the account of the maintenance cost and thus their maintenance characteristics are not clear yet. In this paper, for the assessment of expected maintenance/repair cost, the fatigue system reliability analysis incorporating the corrosion effect is proposed by considering the corrosion and fatigue damage using measured data of high speed railway steel bridges. A model proposed by Rahgozar, of at for fatigue notch factor considering the corrosion effect is used in order to incorporate the corrosion effect into the fatigue strength reduction and S-N curve. Finally, the effectiveness of LCC model proposed for high-speed railway steel bridges is demonstrated by a numerical example.
Mechanical properties of steel-concrete interface were evaluated on the basis of experimental observations. The properties included bond strength, unbounded and bonded friction angles, residual level of friction angle, mode I fracture energy, mode II bonded fracture energy and unbonded slip-friction energy under different levels of normal stress, and shape parameters to define geometrical shape of failure envelope. For this purpose, a typical type of constitutive model of describing steel-concrete interface behavior was presented based on a hyperbolic three-parameter Mohr-Coulomb type failure criterion. The constitutive model depicts the strong dependency of interface behavior on bonding condition of interface, bonded or unbounded. Values of the interface parameters were determined through interpretation of experimental results, geometry of failure envelope and sensitivity analysis. Nonlinear finite element analysis that incorporates steel-concrete interface as well as material nonlinearities of concrete and steel were performed to predict the experimental results.
Due to the high compressive and tensile strength of ultra-high performance concrete (UHPC), UHPC used in steel concrete composite structures provided thinner concrete layer compared to ordinary concrete. This leaded to the headed stud shear connectors embedded in UHPC had a low aspect ratio. In order to systematic investigate the effect of headed stud with low aspect ratio on the structural behaviors of steel UHPC composite structure s this paper firstly carried out a test program consisted of twelve push out specimens. The effects of stud height, aspect ratio and reinforcement bars in UHPC on the structural behaviors of headed studs were investigated. The push out test results shows that the increasing of stud height did not obviously influence the structural behaviors of headed studs and the aspect ratio of 2.16 was proved enough to take full advantage of the headed stud strength. Based on the test results, the equation considering the contribution of weld collar was modified to predict the shear strength of headed stud embedded in UHPC. The modified equation could accurately predict the shear strength of headed stud by comparing with the experimental results. On the basis of push out test results, bending tests consisted of three steel UHPC composite slabs were conducted to investigate the effect of shear connection degree on the structural behaviors of composite slabs. The bending test results revealed that the shear connection degree had a significantly influence on the failure modes and ultimate resistance of composite slabs and composite slab with connection degree of 96% in s hear span exhibited a ductile failure accompanied by the tensile yield of steel plate and crushing of UHPC. Finally, analytical model based on the failure mode of composite slabs was proposed to predict the ultimate resistance of steel UHPC composite slabs with different shear connection degrees at the interface.
The seismic responses of a building are affected by the connection characteristics that have effects on structural stiffness. In this study, push-over analysis and time history analysis were performed to estimate structural behavior of 2D eight-story unbraced steel structures with partially restrained composite connections using a nonlinear dynamic analysis program. Nonlinear $M-{\theta}$characteristics of connection and material inelastic characteristics of composite beam and steel column were considered. The idealization of composite semi-rigid connection as fully rigid connection yielded an increase in initial stiffness and ultimate strength in the push-over analysis. In time history analysis, the stiffness and hysteretic behavior of connections have effects on base-shear force, maximum story-drift and maximum moment in beams and columns. For seismic waves with PGA of 0.4 g, the structure with the semi-rigid composite connections shows the maximum story-drift with less than the life safety criteria by FEMA 273 and no inelastic behavior of beam and column, whereas in the structure with rigid connections, beams and columns have experienced inelastic behaviors.
A simplified model which incorporates the moment-axial tension interaction of the double-span beams in a column-removed steel frame is presented in this paper. To this end, material and geometric nonlinear parametric finite element analyses were conducted for the double-span beams by changing the beam span to depth ratio and the beam size within some practical ranges. The beam span to depth ratio was shown to be the most influential factor governing the catenary action of the double-span beams. Based on the parametric analysis results, a simplified piece-wise linear model which can reasonably describe the vertical resisting force versus the beam chord rotation relationship was proposed. It was also shown that the proposed method can readily be used for the energy-based progressive collapse analysis of steel moment frames.
Mathematical modeling on the corrosion of the steel casing and main pipe due to the protection current resulting from a cathodic protection system was carried out using boundary element method. The model is consisted of Laplace's equation with non-linear boundary conditions(Tafel equations) and the iterative technique to determine the miexed potential of the steel casing. The model is applied to the normal steel casing section as well as abnormal one with defects such as metal touch and insulation defects. From the modeling procedure, we can calculate the potential distributions and current density distributions of the system. The theoretical results of the qualitatiive corrosion aspect along the steel casing and main pipe agree well with the experimental results within the experimental conditions studied.
Shear lag effect was a significant mechanical behavior of steel-concrete composite beams, and the effective flange width was needed to consider this effect. However, the effective flange width is mostly determined by static load test. The cyclic vehicle loading cases, which is more practical, was not well considered. This paper focuses on the study of shear lag effect of the concrete slab in the negative moment region under fatigue cyclic load. Two specimens of two-span steel-concrete composite beams were tested under fatigue load and static load respectively to compare the differences in the negative moment region. The reinforcement strain in the negative moment region was measured and the stress was also analyzed under different loads. Based on the OpenSees framework, finite element analysis model of steel-concrete composite beam is established, which is used to simulate transverse reinforcement stress distribution as well as the variation trends under fatigue cycles. With the established model, effects of fatigue stress amplitude, flange width to span ratio, concrete slab thickness and shear connector stiffness on the shear lag effect of concrete slab in negative moment area are analyzed, and the effective flange width ratio of concrete slab under different working conditions is calculated. The simulated results of effective flange width are compared with calculated results of the commonly used specifications, and it is found that the methods in the specifications can better estimate the shear lag effect in concrete slab under static load, but the effective flange width in the negative moment zone under fatigue load has a large deviation.
There are numerous structural details (Longitudinal beam, web plate, U-ribs and I-ribs) in the top and bottom plates of steel box girders, which have significant influences on the longitudinal stress (normal stress) distribution. Clarifying the influence of these structural details on the normal stress distribution is important. In this paper, the ultra-wide steel box girder with large cantilevers of the Jinhai Bridge in China, which is the widest cable-stayed bridge in the world, has been analyzed. A 1:4.5 scale laboratory model of the steel box girder has been manufactured, and the influence of structural details on the normal stress distribution in the top and bottom plates for four different load cases has been analyzed in detail. Furthermore, a three-dimensional finite element model has been established to further investigate the influence regularity of structural details on the normal stress. The experimental and finite element analysis (FEA) results have shown that different structural details of the top and bottom plates have varying effects on the normal stress distribution. Notably, the U-ribs and I-ribs of the top and bottom plates introduce periodicity to the normal stress distribution. The period of the influence of U-ribs on the normal stress distribution is the sum of the single U-rib width and the U-rib spacing, and that of the influence of I-ribs on the normal stress distribution is equal to the spacing of the I-ribs. Furthermore, the same structural details but located at different positions, will have a different effect on the normal stress distribution.
Ductile fracture prediction is critical for the reasonable damage extent assessment of ships and offshore structures subjected to accidental loads, such as ship collisions and groundings. A fracture model combining the Hosford-Coulomb ductile fracture model with the domain of solid-to-shell equivalence model (HC-SDDE), was used in fracture simulations based on shell elements for the punching fracture experiments of unstiffened and stiffened panels. The flow stress and ductile fracture characteristics of JIS G3131 SPHC steel were identified through tension tests for flat bar, notched tension bar, central hole tension bar, plane strain tension bar, and pure shear bar specimens. Punching fracture tests for unstiffened and stiffened panels are conducted to validate the presented HC-DSSE model. The calibrated fracture model is implemented in a user-defined material subroutine. The force-indentation curves and final damage extents obtained from the simulations are compared with experimental results. The HC-DSSE fracture model provides reasonable estimations in terms of force-indentation paths and residual damage extents.
The component-based method is widely used to analyze the initial stiffness of joint in steel structures. In this study, an analytical component model for determining the column face stiffness of square or rectangular hollow section (SHS/RHS) subjected to tension was established, focusing on endplate connections. Equations for calculating the stiffness of the SHS/RHS column face in bending were derived through regression analysis using numerical results obtained from a finite element model database. Because the presence of bolt holes decreased the bending stiffness of the column face, this effect was calculated using a novel plate-spring-based model through numerical analysis. The developed component model was first applied to predict the bending stiffness of the SHS column face determined through tests. Furthermore, this model was incorporated into the component-based method with other effective components, e.g., bolts under tension, to determine the tensile stiffness of the T-stub connections, which connects the SHS column, and the initial rotational stiffness of the joints. A comparison between the model predictions, test data, and numerical results confirms that the proposed model shows satisfactory accuracy in evaluating the bending stiffness of SHS column faces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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