This paper highlights a study undertaken on the free vibration of a precast steel-concrete composite slab panel for track support. The steel-concrete composite slab track is an evolvement from the slab track, a form of ballastless track which is becoming increasingly attractive to asset owners as they seek to reduce lifecycle costs and deal with increasing rail traffic speeds. The slender nature of the slab panel due to its reduced depth of construction makes it susceptible to vibration problems. The aim of the study is driven by the need to address the limited research available to date on the dynamic behaviour of steel-concrete composite slab panels for track support. Free vibration analysis of the track slab has been carried out using ABAQUS. Both eigenfrequencies and eigenmodes have been extracted using the Lanczos method. The fundamental natural frequencies of the slab panel have been identified together with corresponding mode shapes. To investigate the sensitivity of the natural frequencies and mode shapes, parametric studies have been established, considering concrete strength and mass and steel's modulus of elasticity. This study is the world first to observe crossover phenomena that result in the inversion of the natural orders without interaction. It also reveals that replacement of the steel with aluminium or carbon fibre sheeting can only marginally reduce the natural frequencies of the slab panel.
This paper presents unprecedented damped oscillation behaviours of a precast steel-concrete composite slab panel for track support. The steel-concrete composite slab track is an innovative slab track, a form of ballastless track which is becoming increasingly attractive to asset owners as they seek to reduce lifecycle costs and deal with increasing rail traffic speeds. The slender nature of the slab panel due to its reduced depth of construction makes it susceptible to vibration problems. The aim of the study is driven by the need to address the limited research available to date on the dynamic behaviour of steel-concrete composite slab panels for track support. Free vibration analysis of the track slab has been carried out using ABAQUS. Both undamped and damped eigenfrequencies and eigenmodes have been extracted using the Lancsoz method. The fundamental natural frequencies of the slab panel have been identified together with corresponding mode shapes. To investigate the sensitivity of the natural frequencies and mode shapes, parametric studies have been established, considering concrete strength and mass and steel's modulus of elasticity. This study is the world first to observe crossover phenomena that result in the inversion of the natural orders without interaction. It also reveals that replacement of the steel with aluminium or carbon fibre sheeting can only marginally reduce the natural frequencies of the slab panel.
An innovated type of the flat steel plate-lightweight aggregate concrete hollow composite slab was presented in this paper. This kind of the slab is composed of flat steel plate and the lightweight aggregate concrete slab, which were interfaced with a set of perfobond shear connectors (PBL shear connectors) with circular hollow structural sections (CHSS) and the shear stud connectors. Five specimens were tested under static monotonic loading. In the test, the influence of shear span/height ratios and arrangements of CHSS on bending capacity and flexural rigidity of the composite slabs were investigated. Based on the test results, the crack patterns, failure modes, the bending moment-curvature curves as well as the strains of the flat steel plate and the concrete were focused and analyzed. The test results showed that the flat steel plate was fully connected to the lightweight aggregate concrete slab and no obvious slippage was observed between the steel plate and the concrete, and the composite slabs performed well in terms of bending capacity, flexural rigidity and ductility. It was further shown that all of the specimens failed in bending failure mode regardless of the shear span/height ratios and the arrangement of CHSS. Moreover, the plane-section assumption was proved to be valid, and the calculated formulas for predicting the bending capacity and the flexural rigidity of the composite slabs were proposed on the basis of the experimental results.
Drying shrinkage in concrete caused by drying and the associated decrease in moisture content is one of the most important factors influencing the long-term deflection of steel-concrete composite slabs. The presence of profiled steel decking at the bottom of the composite slab causes non-uniform drying from top and bottom of the slab resulting non-uniform drying shrinkage. In this paper, a hydro-mechanical analysis method is proposed to simulate the development of non-uniform shrinkage through the depth of the composite slab. It also demonstrates how this proposed analysis method can be used in conjunction with previously presented structural analysis model to calculate the effects of non-uniform shrinkage on the long-term deflection of the slab. The method uses concrete moisture diffusion model to simulate the non-uniform drying of composite slab. Then mechanical models are used to calculate resulting shrinkage strain from non-uniform drying and its effect on the long-term behaviour of the composite slabs. The performance of the proposed analysis method is validated against experimental data.
The steel-concrete double composite girder in the negative flexural region combines an additional concrete slab to the steel bottom flange to prevent the local steel buckling, however, the additional concrete slab may lower down the neutral axis of the composite section, which is a sensitive factor to the tensile stress restraint on the concrete deck. This is actually of great importance to the structural rationality and durability, but has not been investigated in detail yet. In this case, a series of 5.5 m-long composite girder specimens were tested by negative bending, among which the bottom slab configuration and the longitudinal reinforcement ratio in the concrete deck were the parameters. Furthermore, an analytical study concerning about the influence of bottom concrete slab thickness on the cracking and sectional bending-carrying capacity were carried out. The test results showed that the additional concrete at the bottom improved the composite sectional bending stiffness and bending-carrying capacity, whereas its effect on the concrete crack distribution was not obvious. According to the analytical study, the additional concrete slab at the bottom with an equivalent thickness to the concrete deck slab may provide the best contributions to the improvements of crack initiation bending moment and the sectional bending-carrying capacity. This can be applied for the design practice.
This paper reports on the development of a new composite slab system that uses a large- lipped steel channel and reinforced concrete. The advantages of this new system are that it serves as both a structural unit and an unsupported form and it has a secondary structural barrier function. A concrete pouring test was carried out for the large-lipped steel channel. Full-scale tests were carried out to assess the flexural strength-deformation characteristics and structural mechanics of the composite slab. The barrier mechanics of the steel channel concrete element (referred to as the SC subunit) of the composite slab are examined. The test results indicate that the new composite slab has excellent strength, ductility characteristics, and a structural barrier function in its SC subunit that is highly effective against severe loading.
Steel-concrete composite slabs represent a very efficient floor solution combining the key performance of two different materials: the steel and the concrete. Composite slab response is governed by the degree of the interaction between these two materials, mainly depending by chemical and mechanical bond. The latter is characterized by a limited degree of confinement if compared with the one of the rebars in reinforced concrete members while the former is remarkably influenced by the type of concrete and the roughness of the profiled surface, frequently lubricated during the cold-forming manufacturing processes. Indeed, owing to the impossibility to guarantee a full interaction between the two materials, a key parameter governing slab design is represented by the horizontal shear-bond strength, which should be always experimentally estimated. According to EC4, the design of the slab bending resistance, is based on the simplified assumption that the decking sheet is totally yielded, i.e., always in plastic range, despite experimental and numerical researches demonstrate that a large part of the steel deck resists in elastic range when longitudinal shear collapse is achieved. In the paper, the limit strain for composite slab, which corresponds to the slip, i.e., the debonding between the two materials, has been appraised by means of a refined numerical method used for the simulation of experimental results obtained on 8 different composite slab types. In total, 71 specimens have been considered, differing for the properties of the materials, cross-section of the trapezoidal profiled metal sheets and specimen lengths.
The composite reinforced concrete and steel (RCS) structural systems have larger structural lateral stiffness, higher inherent structural damping, and faster construction speed than either traditional reinforcement concrete or steel structures. In this paper, four RCS subassemblies with or without the RC slab designed following a strong column-weak beam philosophy were constructed and tested under reversed-cyclic loading. Parameters including the width of slab and composite effect of the RC slab and beam were explored. The test results showed that all specimens performed in a ductile manner with plastic hinges formed in the beam ends near the column faces. The seismic responses of composite connections are influenced significantly by different width of slabs. Compared with that of the steel beam without the RC slab, it was found that the load carrying capacity of composite connections with the RC slab increased by 30% on average, and strength degradation, energy dissipation also had better performance, while the ductility of that were almost the same. Furthermore, the contribution of connection deformation to the overall specimen displacement was analyzed and compared. It decreased approximately 10% due to the coupling effect in the columns and beams with the RC slab. Based on the test result, some suggestions are presented for the design of composite RCS joints.
Composite flooring systems consisting of cold-formed steel joists and reinforced concrete slabs offer an efficient, lightweight solution. However, utilisation of composite action to achieve enhanced strength and economical design has been limited. In this study, finite element modelling was utilised to create a three-dimensional model which was then validated against experimental results for a composite flooring system consisting of cold-formed steel joists, reinforced concrete slab and steel bolt shear connectors. This validated numerical model was then utilised to perform parametric studies on the performance of the structural system. The results from the parametric study demonstrate that increased thickness of the concrete slab and increased thickness of the cold formed steel beam resulted in higher moment capacity and stiffness of the composite flooring system. In addition, reducing the spacing of bolts and spacing of the cold formed steel beams both resulted in enhanced load capacity of the composite system. Increasing the concrete grade was also found to increase the moment capacity of the composite flooring system. Overall, the results show that an efficient, lightweight composite flooring system can be achieved and optimised by selecting suitable concrete slab thickness, cold formed beam thickness, bolt spacing, cold formed beam spacing and concrete grade.
A new type of moment-resisting bolted connection was developed for use in composite steel- concrete construction to connect composite open section steel beams to concrete filled steel square tubular columns. The connection was made possible using anchored blind bolts along with two through bolts. It was designed to act compositely with the in-situ reinforced concrete slab to achieve an enhanced stiffness and strength. The developed connection was incorporated in the design of a medium rise (five storey) commercial building which was located in low to medium seismicity regions. The lateral load resisting system for the design building consisted of moment resisting frames in two directions. A major full scale test on a sub-assembly of a perimeter moment-resisting frame of the model building was conducted to study the system behaviour incorporating the proposed connection. The behaviour of the proposed connection and its interaction with the floor slab under cyclic loading representing the earthquake events with return periods of 500 years and 2500 years was investigated. The proposed connection was categorized as semi rigid for unbraced frames based on the classification method presented in Eurocode 3. Furthermore, the proposed connection, composite with the floor slab, successfully provided adequate lateral load resistance for the model building.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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