Sangwook Park;Patricia Clayton;Todd A. Helwig;Michael D. Engelhardt;Eric B. Williamson
Steel and Composite Structures
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v.51
no.5
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pp.563-573
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2024
This research experimentally evaluated the local stress distribution along the cross-section of composite beams under both positive and negative moments. The experiment utilized a large-scale, two-story, two-by-three bay steel gravity frame with a concrete on metal deck floor system. The composite shear connections, which are nominally assumed to be pinned under gravity loading, can develop non-negligible moment-resisting capacity when subjected to lateral loads. This paper discusses the local stress distribution, orshear lag effects, observed near the beam-to-column connections when subjected to combined gravity and lateral loading. Strain gauges were used for measurements along the beam depth at varying distances from the connection. The experimental data showed amplified shear lag effects near the unconnected region of the beam web and bottom flange under the applied loading conditions. These results indicate that strain does not vary linearly across the beam cross-section adjacent to the connection components. This insight has implications for the use of experimental strain gauge data in estimating beam demands near the connections. These findings can be beneficial in informing instrumentation plans for future experimental studies on composite beams.
As few multi-tower single-box multi-cell cable-stayed bridges with corrugated steel webs have been built, analysis is mostly achieved by combining single-girder model, beam grillage model and solid model in support of the design. However, such analysis methods usually suffer from major limitations in terms of the engineering applications: single-girder model fails to account for spatial effect such as shear lag effect of the box girder and the relevant effective girder width and eccentric load coefficient; owing to the approximation in the principle equivalence, the plane grillage model cannot accurately capture shear stress distribution and local stress state in both top and bottom flange of composite box girder; and solid model is difficult to be practically combined with the overall calculation. The usual effective width method fails to provide a uniform and accurate "effective length" (and the codes fail to provide a unified design approach at those circumstance) considering different shear lag effects resulting from dead load, prestress and cable tension in the construction. Therefore, a novel spatial grid model has been developed to account for shear lag effect. The theoretical principle of the proposed spatial grid model has been elaborated along with the relevant illustrations of modeling parameters of composite box girder with corrugated steel webs. Then typical transverse and longitudinal shear lag coefficient distribution pattern at the side-span and mid-span key cross sections have been analyzed and summarized to provide reference for similar bridges. The effectiveness and accuracy of spatial grid analysis methods has been finally validated through a practical cable-stayed bridge.
The double split tee connection, a type of beam-to-column moment connection, exhibits different behavioral characteristics according to changes in the thickness of the T-stub flange, the gauge distance of the high-strength bolt, and the number and diameter of high-strength bolts. In general, the double split tee connection is idealized and designed so that a T-stub fastened to the top and bottom supports a flexural moment, and a shear tab supports a shear force. However, if the double split tee connection is applied to low-and medium-rise steel structures, the size of the beam member becomes small, and thus the shear tab cannot be bolted to the web of a beam. In this regard, this study was conducted to propose connection details to ensure that the double split tee connection with a geometric shape can display sufficient shear resisting capacity. To this end, experiments were conducted using full-scale specimens for the double split tee connection.
When precast concrete infill panels are connected to steel frames at discrete locations, interaction at the structural interface is neither complete nor absent. The contribution of precast concrete infill panels to the lateral stiffness and strength of steel frames can be significant depending on the quality, quantity and location of the discrete interface connections. This paper presents preliminary experimental and finite element results of an investigation into the composite behaviour of a square steel frame with a precast concrete infill panel subject to lateral loading. The panel is connected at the corners to the ends of the top and bottom beams. The Frame-to-Panel-Connection, FPC4 between steel beam and concrete panel consists of two parts. A T-section with five achor bars welded to the top of the flange is cast in at the panel corner at a forty five degree angle. The triangularly shaped web of the T-section is reinforced against local buckling with a stiffener plate. The second part consists of a triangular gusset plate which is welded to the beam flange. Two bolts acting in shear connect the gusset plate to the web of the T-section. This way the connection can act in tension or compression. Experimental pull-out tests on individual connections allowed their load deflection characteristics to be established. A full scale experiment was performed on a one-storey one-bay 3 by 3 m infilled frame structure which was horizontally loaded at the top. With the characteristics of the frame-to-panel connections obtained from the experiments on individual connections, finite element analyses were performed on the infilled frame structures taking geometric and material non-linear behaviour of the structural components into account. The finite element model yields reasonably accurate results. This allows the model to be used for further parametric studies.
Zhu, Li;Wang, Jia J.;Zhao, Guan Y.;Huo, Xue J.;Li, Xuan
Steel and Composite Structures
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v.37
no.2
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pp.117-136
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2020
Curved steel-concrete composite box girder has been widely adopted in urban overpasses and ramp bridges. In order to investigate its mechanical behavior under complicated and combined bending, shear and torsion load, two large-curvature composite box girders with interior angles of 25° and 45° were tested under static hogging moment. Based on the strain and deflection measurement on critical cross-sections during the static loading test, the failure mode, cracking behavior, load-displacement relationship, and strain distribution in the steel plate and rebar were investigated in detail. The test result showed the large-curvature composite box girders exhibited notable shear lag in the concrete slab and steel girder. Also, the constraint torsion and distortion effect caused the stress measured at the inner side of the composite beam to be notably higher than that of the outer side. The strain distribution in the steel web was approximately linear; therefore, the assumption that the plane section remains plane was approximately validated based on strain measurement at steel web. Furthermore, the full-process non-linear elaborate finite element (FE) models of the two specimens were developed based on commercial FE software MSC.MARC. The modeling scheme and constitutive model were illustrated in detail. Based on the comparison between the FE model and test results, the FE model effectively simulated the failure mode, the load-displacement curve, and the strain development of longitudinal rebar and steel girder with sufficient accuracy. The comparison between the FE model and the test result validated the accuracy of the developed FE model.
Recent research has indicated that the current ACI shear provision provides unconservative predictions for large slender beams and beams with low level of longitudinal reinforcement, and conservative results for deep beams. To modify some problems of ACI shear provision, ultimate shear strength equation considering size effect and arch action to compute shear strength in high-strength concrete beams without stirrups is presented in this research. Three basic equations, namely size reduction factor, rho factor, and arch action factor, are derived from crack band model of fracture mechanics, analysis of previous some shear equations for longitudinal reinforcement ratio, and concrete strut described as linear prism in strut-tie model deep beams. Constants of basic equations are determined using statistical analysis of previous shear testing data. To verify proposed shear equation for each variable, effective depth, longitudinal reinforcement ratio, concrete compressive strength and shear span-to-depth ratio, about 300 experimental data are used and proposed shear equation is compared with ACI 318-99 code, CEB-FIP Model code, Kim &Park's equation and Zsutty's equation. The proposed shear equation is not only simpler than other shear equations, it is but also shown to be economical predictions and reasonable safety margin. Hence proposed shear strength equation is expected to be applied to practical shear design.
Web openings of large beams provide space for wiring, piping, and duct work to provide for proper drainage, pipes and duct must be slightly sloped with the attendant result that all web openings can not be centered on the centroidal axes of the beams. Test specimens are made for opening-depth to beam-depth ratio of 0.5 and for eccentricities of the opening center line of 10% from middepth of the beam because of the proximity of the opening edge to the flange. In this paper, available test results and theories relating to the strength of composite beams having eccentric rectangular openings are surveyed and experiments were carried out to examine the structural behaviors. In all the tests in this paper good agreement is demonstrated with maximum loads measured in tests, and observed failure modes Furthermore, compared with analytical values and experimental values of interaction diagram between moment and shear capacity were safed as it is scattered with outer part of the analytical values.
Hwang, Won Sup;Park, Yong Myung;Choi, Won Kyong;Kim, Young Pil
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.14
no.3
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pp.433-441
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2002
This study present the stressdistribution of circular column-box beam connection in steel piers. Experiments were carried out for hollow and concrete filled connections, depending on the joint angle. To determine vertical and shear stress distribution, this study examined the equivalent web depth dc' that is mainly used in existing design equation. Lidewise, as additional equivalent web depth was introduced. Stress values that were calculated using equivalent wev depth were also compared with the test stress value. Results showed that stresses of hollow and filled connections have great differences. However, dc' has a limitation for some joint angles. Likewise, stress of filled connection was less than that of the hollow connection. The test value of filled connection was also compared with design equations that were introduced from the hollow connection.
This study verifies the structural capacity of the composite PHC pile (Pretensioned spun high-strength concrete) consisting of a PHC pile and two CT structural steels. Four full-scale specimens are fabricated and the experimental tests were performed to investigate the flexural behaviors of the composite PHC piles. The composite PHC pile can enhance both the structural capacity and functional convenience, since the web of CT structural steel with holes in the web acts as a shear connector (referred to as the perfobond rib), which can connect concrete and steel. All specimens exhibited flexural failure and the ultimate strengths were larger than the anticipated design strength according to the design standard. Thus, the composite PHC pile can be applicable to wall structures with sufficient strength. In addition, it seems that the web of the CT structural steel with holes performs its role as shear connectors.
Hadianfard, Mohammad Ali;Eskandari, Fateme;JavidSharifi, Behtash
Steel and Composite Structures
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v.28
no.3
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pp.309-318
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2018
Buckling Restrained Braced (BRB) frames have been widely used as an efficient seismic load resisting system in recent years mostly due to their symmetric and stable hysteretic behavior and significant energy dissipation capacity. In this study, to provide a better understanding of the behavior of BRB frames with various beam-column connections, a numerical study using non-linear finite element (FE) analysis is conducted. All models are implemented in the Abaqus software package following an explicit formulation. Initially, the results of the FE model are verified with experimental data. Then, diverse beam-column connections are modeled for the sake of comparison from the shear capacity, energy dissipation and frame hysteresis behavior points of view until appropriate performance is assessed. The considered connections are divided into three different categories: (1) simple beam-column connections including connection by web angle and connection by seat angle; (2) semi-rigid connection including connection by web and seat angles; and (3) rigid beam-column connections by upper-lower beam plates and beam connections with web and flange splices. Results of the non-linear FE analyses show that these types of beam-column connections have little effect on the maximum story drift and shear capacity of BRB frames. However, the connection type has a significant effect on the amount of energy dissipation and hysteresis behavior of BRB frames. Also, changes in length and thickness of the angles in simple and semi-rigid connections and changes in length and thickness of plates in rigid connections have slight effects (less than 4%) on the overall frame behavior.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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