Recently, Concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) columns have proven an exceptional structural resistance in terms of strength, stiffness, and ductility. However, the resistance of these column members can be severely affected by the type of loading in which bending stresses increase in direct proportion with axial load and eccentricity value. This paper presents a non-linear finite element based modeling approach that studies the behavior of slender CFDST columns under biaxial loading. Finite element models were calibrated based on the outcomes of experimental work done by other researchers. Results from simulations of slender CFDST columns under axial loading eccentric in one direction showed good agreement with the experimental response. The calibrated models are expanded to a total of thirty models that studies the behavior of slender CFDST columns under combined compression and biaxial bending. The influences of parameters that are usually found in practice are taken into consideration in this paper, namely, eccentricity-to-diameter (e/D) ratios, slenderness ratios, diameter-to-thickness (D/t) ratios, and steel contribution ratios. Finally, an analytical study based on current code provisions is conducted. It is concluded that South African national standards (2011) provided the most accurate results contrasted with the Eurocode 4 (2004) and American Institute of Steel Construction (2016) that are found to be conservative. Accordingly, correction factors are proposed to the current design guidelines to provide more satisfactory results.
Currently, there is a lack of research in the design approach to avoid column wall failure in the concrete filled double skin steel tubular (CFDST) column-beam connections. In this paper, a finite element model has been developed and verified by available experimental data to analyze the failure mechanism of CFDST column-beam connections. Various finite element models with different column hollow ratios (χ) were established. The simulation result revealed that with increasing χ the failure mode gradually changed from yielding of end plate, to local failure of the column wall. Detailed parametric analyses were performed to study the failure mechanism of column wall for the CFDST column-beam connection, in which the strength of sandwiched concrete and steel tube and thickness of steel tube were incorporated. An analytical model was proposed to predict the moment resistance of the assembled connection considering the failure of column wall. The simulation results indicate that the proposed analytical model can provided a conservative prediction of the moment resistance. Finally, an upper bound value of χ was recommend to avoid column wall failure for CFDST column-beam connections.
This paper describes a series of compression tests carried out on concrete filled double skin tubes (CFDST). Both outer and inner tubes are cold-formed circular hollow sections (CHS). Six section sizes were chosen for the outer tubes with diameter-to-thickness ratio ranging from 19 to 57. Two section sizes are chosen for the inner tubes with diameter-to-thickness ratio of 17 and 33. The failure modes, strength, ductility and energy absorption of CFDST are compared with those of empty single skin tubes. Increased ductility and energy absorption have been observed for CFDST especially for those having slender outer tubes with larger diameter-to-thickness ratio. Predictions from several theoretical models are compared with the ultimate strength of CFDST stub columns obtained in the tests. The proposed formula was found to be in good agreement with the experimental data.
This paper describes the experimental and numerical investigations of octagonal Concrete-Filled Double Skinned Steel Tube (CFDST) short columns under the influence of various internal sizes of the circular and square steel tubes, with constant cross-sectional dimensions of the external octagonal steel tube under concentric loading. The non-linear finite element analysis of octagonal CFDST columns was executed using the ABAQUS to forecast and compare the axial compression behavior influenced by the various sizes of internal circular and square steel tubes. The study shows that the axial compressive strength and ductility of octagonal CFDST columns were significantly influenced by various internal dimensions of the circular and square steel tubes with the strengths of constituent materials.
Wang, Jun;Liu, Weiqing;Zhou, Ding;Zhu, Lu;Fang, Hai
Steel and Composite Structures
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v.17
no.4
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pp.431-452
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2014
The present study focuses on the mechanical behaviour of concrete filled double skin steel tubular (CFDST) stub columns confined by fiber reinforced polymer (FRP). A series of axial compression tests have been conducted on two CFDST stub columns, eight CFDST stub columns confined by FRP and a concrete-filled steel tubular (CFST) stub column confined by FRP, respectively. The influences of hollow section ratio, FRP wall thickness and fibre longitudinal-circumferential proportion on the load-strain curve and the concrete stress-strain curve for stub columns with annular section were discussed. The test results displayed that the FRP jacket can obviously enhance the carrying capacity of stub columns. Based on the test results, a new model which includes the effects of confinement factor, hollow section ratio and lateral confining pressure of the outer steel tube was proposed to calculate the compressive strength of confined concrete. Using the present concrete strength model, the formula to predict the carrying capacity of CFDST stub columns confined by FRP was derived. The theoretically predicted results agree well with those obtained from the experiments and FE analysis. The present method is also adapted to calculate the carrying capacity of CFST stub columns confined by FRP.
A new unified design formula for calculating the composite compressive strength of the axially loaded circular concrete filled double steel tubular (CFDST) short and slender columns is presented in this paper. The formula is obtained from the analytic solution by using the limit equilibrium theory, the cylinder theory and the "Unified theory" under axial compression. Furthermore, the stability factor of CFDST slender columns is derived on the basis of the Perry-Robertson formula. This paper also reports the results of experiments and finite element analysis carried out on concrete filled double steel tubular columns, where the tested specimens include short and slender columns with different steel ratio and yield strength of inner tube; a new constitutive model for the concrete confined by both the outer and inner steel tube is proposed and incorporated in the finite element model developed. The comparisons among the finite element results, experimental results, and theoretical predictions show a good agreement in predicting the behavior and strength of the concrete filled steel tubular (CFST) columns with or without inner steel tubes. An important characteristic of the new formulas is that they provide a unified formulation for both the plain CFST and CFDST columns relating to the compressive strength or the stability bearing capacity and a set of design parameters.
This paper aims to explore the mechanical behavior and moment-rotation model of blind bolted joints between concrete-filled double skin steel tubular columns and steel-concrete composite beams. For this type of joint, the inner tube and sandwiched concrete were additionally identified as basic components compared with CFST blind bolted joint. A modified moment-rotation model for this type of connection was developed, of which the compatibility condition and mechanical equilibrium were employed to determine the internal forces of basic components and neutral axis. Following this, load transfer mechanism among the inner tube, sandwiched concrete and outer tube was discussed to assert the action area of the components. Subsequently, assembly processes of basic coefficients in terms of their stiffness and resistances based on the component method by simplifying them as assemblages of springs in series or in parallel. Finally, an experimental investigation on four substructure joints with CFDST columns for validation purposes was carried out to capture the connection details. The predicted results derived from the mechanical models coincided well with the experimental results. It is demonstrated that the proposed mechanical model is capable of evaluating the complete moment-rotation relationships of blind bolted CFDST column composite connections.
Ci, Junchang;Ahmed, Mizan;Tran, Viet-Linh;Jia, Hong;Chen, Shicai;Nguyen, Tan N.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.6
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pp.689-706
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2022
Thin-walled square concrete-filled double steel tubular (CFDST) columns composed of the inner circular tube filled with concrete can be used to carry the large axial loads or strengthen existing CFST columns in composite constructions. This paper reports an experimental program carried out on short square CFDST columns loaded concentrically. The influences of important column parameters on the post-buckling performance of such columns are investigated. Test results exhibit that the inner circular tube significantly improves the ultimate loads and the ductility of such columns compared to conventional concrete-filled steel tubular (CFST) and double-skin CFST (DCFST) columns with an inner void. A mathematical model developed is used to simulate the ultimate strengths and load-strain curves of such columns loaded axially. Furthermore, the ultimate strengths of such columns are predicted using existing codified design models for conventional CFST columns as well as the formulas proposed by previous researchers and compared against a large database comprising 500 CFDST columns. Lastly, an accurate artificial neural network model is developed for the practical applications of such columns under axial loading.
This paper aims to assess the seismic risk of a plane moment-resisting frames (MRFs) consisting of concrete-filled double skin steel tube (CFDST) columns and I-section steel beams. Firstly, three typical limit performance levels of CFDST structures are determined in accordance with the cyclic tests of seven CFDST joint specimens with 1/2-scaled and the limits stipulated in FEMA 356. Then, finite element (FE) models of the test specimens are built by considering with material degradation, nonlinear behavior of beam-column connections and panel zones. The mechanical behavior of the concrete material are modeled in compression stressed condition in trip-direction based on unified strength theory, and such numerical model were verified by tests. Besides, numerical models on 3, 6 and 9-story CFDST frames are established. Furthermore, the seismic responses of these models to earthquake excitations are investigated using nonlinear time-history analyses (NTHA), and the limits capacities are determined from incremental dynamic analyses (IDA). In addition, fragility curves are developed for these models associated with 10%/50yr and 2%/50yr events as defined in SAC project for the region on Los Angeles in the Unite State. Lastly, the annual probabilities of each limits and the collapse probabilities in 50 years for these models are calculated and compared. Such results provide risk information for the CFDST-MRFs based on the probabilistic risk assessment method.
The paper proposes two hybrid metaheuristic optimization and artificial neural network (ANN) methods for the close prediction of the ultimate axial compressive capacity of concentrically loaded concrete filled double skin steel tube (CFDST) columns. Two metaheuristic optimization, namely genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO), approaches enable the dynamic training architecture underlying an ANN model by optimizing the number and sizes of hidden layers as well as the weights and biases of the neurons, simultaneously. The former is termed as GA-ANN, and the latter as PSO-ANN. These techniques utilize the gradient-based optimization with Bayesian regularization that enhances the optimization process. The proposed GA-ANN and PSO-ANN methods construct the predictive ANNs from 125 available experimental datasets and present the superior performance over standard ANNs. Both the hybrid GA-ANN and PSO-ANN methods are encoded within a user-friendly graphical interface that can reliably map out the accurate ultimate axial compressive capacity of CFDST columns with various geometry and material parameters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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