With the aim to put forward the analytical model for calculating the shear capacity of precast steel reinforced concrete (PSRC) beams, a static test on two full-scale PSRC specimens was conducted under four-point loading, and the failure modes and strain developments of the specimens were critically investigated. Based on the test results, a modified truss-arch model was proposed to analyze the shear mechanisms of PSRC and cast-in-place SRC beams. In the proposed model, the overall shear capacity of PSRC and cast-in-place SRC beams can be obtained by combining the shear capacity of encased steel shape with web concrete determined by modified Nakamura and Narita model and the shear capacity of reinforced concrete part determined by compatible truss-arch model which can consider both the contributions of concrete and stirrups to shear capacity in the truss action as well as the contribution of arch action through compatibility of deformation. Finally, the proposed model is compared with other models from JGJ 138 and AISC 360 using the available SRC beam test data consisting of 75 shear-critical PSRC and SRC beams. The results indicate that the proposed model can improve the accuracy of shear capacity predictions for shear-critical PSRC and cast-in-place SRC beams, and relatively conservative results can be obtained by the models from JGJ 138 and AISC 360.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.05a
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pp.884-889
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2003
Based on the reinterpretation of the well-known relationship between shear and the rate of change of bending moment in a reinforced concrete beam subject to combined shear and moment loads, the shortcomings of present truss models are discussed. The core of the theory is that a new perspective on the shear strength can be gained by viewing the internal stress filed in terms of the superposition of two base components of shear resistance; arch action and beam action. The arch action can be designed using the simple truss having curved compression chord, while the beam action between the two chords can be modeled using a parallel chord truss with MCFT or RA-STM. The compatibility of deformation associated to the two action is taken into account by employing a characteristic factor a. The new model was examined by the Stuttgart beam shear tests, and the results show that the present approach provides good estimates of stirrup contribution and concrete contributions.
In this study a truss model is used for the geometrically nonlinear static and dynamic analysis of a thin shallow arch subject to snap-through. Thanks to the very simple geometry of a truss, the equilibrium conditions can be easily written and the global stiffness matrix can be easily updated with respect to the deformed structure, within each step of the analysis. A very coarse discretization is applied; so, in a very simple way, the high frequency modes are suppressed from the beginning and there is no need to develop a complicated reduced-order technique. Two short computer programs have been developed for the geometrically nonlinear static analysis by displacement control of a plane truss model of a structure as well as for its dynamic analysis by the step-by-step time integration algorithm of trapezoidal rule, combined with a predictor-corrector technique. These two short, fully documented computer programs are applied on the geometrically nonlinear static and dynamic analysis of a specific thin shallow arch subject to snap-through.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.05a
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pp.912-917
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2003
In this paper a new truss modeling technique for describing the beam shear resistance mechanism is proposed based on the reinterpretation of the well-known relationship between shear and the rate of change of bending moment in a reinforced concrete beam subjected to combined shear and moment loads. The core of the model is that a new perspective on the shear resistance can be gained by viewing the internal stress filed in terms of the superposition of two base components of shear resistance; arch action and beam action. The arch action can be described as a simple tied-arch which is consisted of a curved compression chord and a tension tie of the longitudinal steel, while the beam action between the two chords can be modeled as a membrane shearing element with forming a smeared truss action. The compatibility of deformation associated to the two action is taken into account by employing an experimental factor or internal state force factor a. Then the base equation of V=dM/dx is numerically duplicated. The new model was examined by the 362 experimental results. The shear strength predicted by the internal force state factor a show better correlation with the tested values than the present shear design.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.8
no.1
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pp.1-14
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2014
In the present paper, a behavioral model is proposed for study of the individual contributions to shear capacity in shear-critical reinforced concrete members. On the basis of the relationship between shear and bending moment (V = dM/dx) in beams subjected to combined shear and moment loads, the shear resistant mechanism is explicitly decoupled into the base components-beam action and arch action. Then the overall behavior of a beam is explained in terms of the combination of these two base components. The gross compatibility condition between the deformations associated with the two actions is formulated utilizing the truss idealization together with some approximations. From this compatibility condition, the ratio of the shear contribution by the tied arch action is determined. The performance of the model is examined by a comparison with the experimental data in literatures. The results show that the proposed model can explain beam shear behavior in consistent way with clear physical significance.
A hollow-core partially-encased composite beam, named HPEC beam, is investigated in this paper. HPEC beam comprises I-beam, longitudinal reinforcement, stirrup, foam formwork, and cementitious grout. The foam formwork is located on both sides of the web, and cementitious grout is cast within the steel flange. To investigate the shear performance of HPEC beams, static loading tests of six HPEC beams and three control beams were conducted. The shear span ratio and the number of studs on the shear behavior of the HPECspecimens were studied. The failure mechanism was studied by analyzing the curves of shear force versus both deflection and strain. Based on the shear span ratio (𝜆), two typical shear failure modes were observed: shear compression failure when 1.6 ≤ 𝜆 ≤ 2; and diagonal compression failure when 𝜆 ≤ 1.15. Shear studs welded on the flange can significantly increase the shear capacity and integrity of HPEC beams. Flange welded shear studs are suggested. Based on the deformation coordination theory and superposition method, combined with the simplified modified compression field model and the Truss-arch model, Modified Deformation Coordination Truss-arch (M.D.C.T.) model was proposed. Compared with the shear capacity from YB9038-2006 and JGJ138-2016, the calculation results from M.D.C.T. model could provide reasonable predictions.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.11a
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pp.229-233
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2003
This paper describes a practical formulation of Non-Bernoulli-Compatibility Truss Model. Not only equilibrium conditions but also some approximations are employed to solve for the unknowns included in the proposed model. By assuming that the ratio of $V_a$ to V remains to be constant along the shear span, the relationship between $\alpha$ and z is mathematically established as an arch shape function. $V_m$ is also approximated to be an empirical value that is equal to the least membrane shear strength. The coefficient a is made utilizing a nonlinear finite element analysis. The adequacy of the model is examined by test results available in literatures, and the predicted values are shown to be in excellent agreement with the experimental results.
This paper presents experiments and theoretical analysis on shear behavior of eight concrete-encased square concrete-filled steel tube (CECFST) specimens and three traditional reinforced concrete (RC) specimens. A total of 11 specimens with the test parameters including the shear span-to-depth ratio, steel tube size and studs arrangement were tested to explore the shear performance of CECFST specimens. The failure mode, shear capacity and displacement ductility were thoroughly evaluated. The test results indicated that all the test specimens failed in shear, and the CECFST specimens enhanced by the interior CFST core exhibited higher shear capacity and better ductility performance than that of the RC specimens. When the other parameters were the same, the larger steel tube size, the smaller shear span-to-depth ratio and the existence of studs could lead to the more satisfactory shear behavior. Then, based on the compatible truss-arch model, a set of formulas were developed to analytically predict the shear strength of the CECFST members by considering the compatibility of deformation between the truss part, arch part and the steel tube. Compared with the calculated results based on several current design specifications, the proposed formulas could get more accurate prediction.
For determining the in-plane buckling resistance of a concrete-filled steel tubular (CFST) arch, the current technical code GB50923-2013 specifies the use of an equivalent beam-column method which ignores the effect of rise-to-span ratio. This may induce a gap between the calculated result and actual stability capacity. In this study, a FE model is used to predict the buckling behavior of CFST truss arches subjected to uniformly distributed loads. The influence of rise-to-span ratio on the capacity of truss arches is investigated, and it is found that the stability capacity reduces as rise-to-span ratio declines. Besides, the calculations of equivalent slenderness ratio for different truss sections are made to consider the effect of shear deformation. Moreover, based on FE results, a new design equation is proposed to predict the in-plane strength of CFST parabolic truss arches under uniformly distributed loads.
To investigate the mechanical behavior of unbonded prestressed reinforced concrete (PRC) beam with high-strength spiral stirrups, the shear capacity formula of the beam was proposed in this study based on modified variable angle truss and arch models. Considering the effect of the spiral stirrups and unbonded tendons, the theoretical formula of the shear capacity of the beam was derived. Furthermore, the coefficients related to the formula, such as the equivalent angle and stress of spiral stirrups, the ratio of shear span to effective depth, and the concrete compression zone depth of the arch model were determined. The complicated theoretical formula was further simplified for ease of use by engineers. In addition, the finite element model of the PRC beam was established and verified by test data. The additional FE model of PRC beam with spiral stirrups was established and parametric analysis was carried out. Finally, the proposed formula was validated by numerical results of the beam with spiral stirrups. The calculated values of the formula are in good agreement with the numerical simulation data. This study may enrich the understanding of the shear capacity of the unbonded PRC beam with high-strength spiral stirrups.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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