The composite beam connections often encountered fracture failure in the welded bottom flange joint, and a bottom flange bolted connection has been proposed to increase the deformation ability of the bottom flange joint. The seismic performance of the bottom flange bolted composite beam connection was suffered from both the composite action of concrete slab and the asymmetric load transfer mechanisms between top and bottom beam flange joints. Thus, this paper presents a comprehensive numerical study on the working mechanism of the bottom flange bolted composite beam connections. Three available modelling methods and a new modelling method on the flange-stud-slab interactions were compared. The efficient numerical modeling method was selected and then applied to the parametric study. The influence of the composite slab, the bottom flange bolts, the shear composite ratio and the web hole shape on the seismic performance of the bottom flange bolted composite beam connections were investigated. A hogging strength calculation method was then proposed based on numerical results.
The predominant type of buckling that I-steel concrete composite beams experience in the negative moment area is distortional buckling. The key factors that affect distortional buckling are the torsional and lateral restraints by the bottom flange. This study thoroughly investigates the equivalent lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange of an I-steel concrete composite beam under negative moments. The results show a coupling effect between the applied forces and the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange. A formula is proposed to calculate the critical buckling stress of the I-steel concrete composite beams under negative moments by considering the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange. The proposed method is shown to better predict the critical bending moment of the I-steel composite beams. This article introduces an improved method to calculate the elastic foundation beams, which takes into account the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange and considers the coupling effect between them. The results show a close match in results from the calculation method proposed in this paper and the ANSYS finite element method, which validates the proposed calculation method. The proposed calculation method provides a theoretical basis for further research on distortional buckling and the ultimate resistance of I-steel concrete composite beams under a variable axial force.
This paper presents a designing method for enhancing fire resistance of steel box bridge girders (closed steel box bridge girder supporting a thin concrete slab) through taking into account such parameters namely; fire severity, type of longitudinal stiffeners (I, L, and T shaped), and number of longitudinal stiffeners. A validated 3-D finite element model, developed through the computer program ANSYS, is utilized to go over the fire response of a typical steel box bridge girder using the transient thermo-structural analysis method. Results from the numerical analysis show that fire severity and type of longitudinal stiffeners welded on bottom flange have significant influence on fire resistance of steel box bridge girders. T shaped longitudinal stiffeners applied on bottom flange can highly prevent collapse of steel box bridge girders towards the end of fire exposure. Increase of longitudinal stiffeners on bottom flange and web can slightly enhance fire resistance of steel box bridge girders. Rate of deflection-based criterion can be reliable to evaluate fire resistance of steel box bridge girders in most fire exposure cases. Thus, T shaped longitudinal stiffeners on bottom flange incorporated into bridge fire-resistance design can significantly enhance fire resistance of steel box bridge girders.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.29
no.3
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pp.145-152
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1987
This paper suggests a method for the analysis of box girders which are subject to the membrane and the plate bending actions, Moreover, the method is applied to the box girders under distributed loads which have various geometrical types of cross sections and are made out of different materials. The approach is based on the finite element technique in which the structure is considered to be a spatial assemblage of flat plate elements and the deformations of the plates are to be approximated with 9-noded parabolic isoparametric elements. The results are summarized as follows. 1.In all models, the larger the widths of top flange inside of web are, the larger the vertical deflections are. 2.The maximum transverse and longitudinal moments in the composite box girders are judged to be larger than those in the RC box girders. 3.The transverse and the longitudinal moments in top flange of composite box. girders are larger than those in that of the RC box girders. 4.The transverse and longitudinal moments in web and bottom flange of the composite box girders are estimated to be very small in compare to those in web and bottom flange of the RC box girders.
An experimental program was undertaken to develop seismic retrofit methods of existing steel moment connections with floor slab for improved seismic performance. Five full-scale composite specimens were tested under cyclic loading. Conventional through-diaphragm connections [please check this; no search results were found for through-diaphragm connections] composed of square-tube column and H-beam were retrofitted by adding either a bottom-flange dogbone (RBS) or an improved welded horizontal stiffener at the beam bottom flange. The effectiveness of the proposed retrofit connections schemes was evaluated. The specimen retrofitted using the RBS concept at the bottom flange showed poor connection ductility. In contrast. specimens with the proposed horizontal stiffener details exhibited improved connection ductility.
An experimental investigation of composite beams composed of wide flange steel and precast concrete is presented. The bottom flange of the steel section is encased in precast concrete. The composite beams tested in this study were designed to reduce the depth of the slab and beam. The slabs are constructed on top of the edges of the Structural Composite Hybrid System, instead of on top of the steel flange, decreasing the depth of the beams. When concrete is cast on the metal deck plate located on the edges of the precast concrete, the weight of the concrete slabs and other construction loads must be supported by the contacts between the steel and the precast concrete. This interface must not exhibit bearing failures, shear failures, and failures caused by torque due to the loading of the precast concrete. When the contact area between the concrete and the bottom flange of the steel beam is small, these failures of the concrete are likely and must be prevented. The premature failure of precast concrete must not also be present when the weight of the concrete slabs and other construction loads is loaded. This paper presents a load carrying capacity of Structural Composite Hybrid System in order to observe the failure mode. The symmetrically distributed loading that caused the failure of the composite beam was found. The paper also provides design recommendations of such type of composite structure.
Flange and web local buckling in beam plastic hinge regions of steel moment frames can prevent beam-column connections from achieving adequate plastic rotations under earthquake-induced forces. Reducing the flange-web slenderness ratios (FSR/WSR) of beams is the most effective way in mitigating local member buckling as stipulated in the latest seismic design specifications. However, existing steel moment frame buildings with beams that lack the adequate slenderness ratios set forth for new buildings are vulnerable to local member buckling and thereby system-wise instability prior to reaching the required plastic rotation capacities specified for new buildings. This paper presents results from a research study investigating the cyclic behavior of steel I-beams modified by a welded haunch at the bottom flange and reinforced with glass fiber reinforced polymers at the plastic hinge region. Cantilever I-sections with a triangular haunch at the bottom flange and flange slenderness ratios higher then those stipulated in current design specifications were analyzed under reversed cyclic loading. Beam sections with different depth/width and flange/web slenderness ratios (FSR/WSR) were considered. The effect of GFRP thickness, width, and length on stabilizing plastic local buckling was investigated. The FEA results revealed that the contribution of GFRP strips to mitigation of local buckling increases with increasing depth/width ratio and decreasing FSR and WSR. Provided that the interfacial shear strength of the steel/GFRP bond surface is at least 15 MPa, GFRP reinforcement can enable deep beams with FSR of 8-9 and WSR below 55 to maintain plastic rotations in the order of 0.02 radians without experiencing any local buckling.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.4A
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pp.457-463
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2008
The longitudinal stiffener performs its role to increase the local buckling strength by making simple support upon compression flange. In the recent researches, it is investigated that compression flange with point supports on certain arrangement reveals the same strength with longitudinal stiffeners. From this results, it is predictable that shear stud could perform the role of longitudinal stiffener if shear stud embedded in concrete satisfies the requirement to point-support under yield stress of the compression flange. In this study, the researches were performed to investigate the optimally required arrangement space of longitudinal point-support for which the shear stud replacing the longitudinal stiffeners and simultaneously determine the required numbers and space of shear stud for completely composite behavior between compression bottom flange and bottom concrete on the double composite girder system.
Flexural design of double composite box girder over the interior pier for three-span continuous bridge was performed by the LRFD method. The maximum span length of the continuous bridge ranged from 80m to 120m and the relative ratio of the span length was assumed to be 1:1.25:1. The girder section was designed for the strength limit state and service limit state with additional design check for constructibility. Before the bottom concrete and compression flange showed a complete composite action, the buckling of lower compression flange was checked. The flexural stiffness and flexural resistance characteristics for the section and for the constituent members such as tension flange, compression flange, and web were analyzed for different thicknesses of the bottom concrete on top of the compression flange. The effect of the distribution ratio of steel between the top and bottom flanges was investigated by analyzing ductility behavior and stress distribution through the girder's depth for several different relative area ratios of steel between the top and bottom flanges. It was found that a total amount of 15% of steel can be saved by applying the double composite system compared with that of the conventional composite system.
Flange and web local buckling in beam plastic hinge regions of steel moment frames can prevent beam-column connections from achieving adequate plastic rotations under earthquake-induced forces. This threat is especially valid for existing steel moment frame buildings with beams that lack adequate flange/web slenderness ratios. As the use of fiber reinforced polymers (FRP) have increased in strengthening and repair of steel members in recent years, using FRPs in stabilizing local instabilities have also attracted attention. Previous computational studies have shown that longitudinally oriented glass FRP (GFRP) strips may serve to moderately brace beam flanges against the occurrence of local buckling during plastic hinging. An experimental study was conducted at Izmir Institute of Technology investigating the effects of GFRP reinforcement on local buckling behavior of existing steel I-beams with flange slenderness ratios (FSR) exceeding the slenderness limits set forth in current seismic design specifications and modified by a bottom flange triangular welded haunch. Four European HE400AA steel beams with a depth/width ratio of 1.26 and FSR of 11.4 were cyclically loaded up to 4% rotation in a cantilever beam test set-up. Both bare beams and beams with GFRP sheets were tested in order to investigate the contribution of GFRP sheets in mitigating local flange buckling. Different configurations of GFRP sheets were considered. The tests have shown that GFRP reinforcement can moderately mitigate inelastic flange local buckling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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