본 연구는 중심 압축을 받는 각형 CFT 단주의 하중-변형도 관계를 추정하기 위한 재료의 응력도-변형도 관계 모델화에 관한 것이다. 수정된 모델은 미일공동연구 결과식 형태를 기본으로 하여 본 연구자가 수행했던 실험결과로 수정된 것이다. 궁극적인 목적은 콘크리트와 강관의 강도 변화에 따른 거동 특성을 평가하기 위한 기초 자료의 제공에 있다.
The study for seismic characteristics of square concrete-filled steel tubular (CFT) columns is analytically conducted. For predicting the strength and ductility of CFT columns, fiber analysis technique is used. The analytical results show reasonable agreement with experiment results. The influence of the steel tube on the lateral response of CFT columns is studied for the evaluation of seismic performance.
The concrete-filled steel tube (CFT) columns have several benefits of high load-bearing capacity, inherent ductility and toughness because of the confinement effect of the steel tube on concrete and the restraining effect of the concrete on local buckling of steel tube. However, the experimental research into the behavior of square CFT columns consisting of high-strength steel and high-strength concrete is limited. Six full scale CFT specimens were tested under flexural moment. The CFT columns consisted of high-strength steel tubes ($f_y$ = 325 MPa, 555 MPa, 900 MPa) and high-strength concrete ($f_{ck}$ = 80 MPa and 120 MPa). The ultimate capacity of high strength square CFT columns was compared with AISC-LRFD design code. Also, this study was focused on investigating the effect of high-strength materials on the structural behavior and the mathematical models of the steel tube and concrete. Nonlinear fiber element analyses were conducted based on the material model considering the cyclic bending behavior of high-strength CFT members. The results obtained from the numerical analyses were compared with the experimental results. It was found that the numerical analysis results agree well with the experimental results.
This paper emphasizes the use of CFT columns in frame structures subjected to strong horizontal forces and shows that the efficiency of using CFT columns is increased when the plastic design approach is adopted. Because the plastic design approach is based on redistribution of the force of the internal member, a double node for the rotational degrees of freedom, where the adjacent two rotational degrees of freedom can be connected by a non-dimensional spring element, is designed and implemented into the formulation. In addition, an accompanying criterion is considered in order to make it possible to describe the continuous moment redistribution in members connected to a nodal point up to a complete plastic state. The efficiency of CFT columns is reviewed in comparison with RC columns in terms of the cost and the resistance capacity, as defined by a P-M interaction diagram. Three representative frame structures are considered and the obtained results show that the most efficient and economical design can be expected when the use of CFT columns is considered on the basis of the plastic design, especially when a frame structure is subjected to significant horizontal forces, as in a high-rise building.
Proper material constitutive models for concrete-filled tube (CFT) columns of circular cross section and subjected to pure bending moment are proposed. These material models are implemented into the Abaqus finite element program and verified against experimental data. It has been shown that the steel tube does not provide good confining effect to the concrete core when the CFT columns is subjected to pure bending moment. When the diameter-to-thickness ratio of the CFT columns is small, the behavior of the CFT column is the same as the steel tube without a concrete core.
SM570TMC 강재를 합성부재로 사용할 경우, KBC2005 0709에 따라 ${415N/mm^{2}}$를 초과하지 못한다. 이는 일반 강구조의 경우의항복강도 ${440N/mm^{2}}$에 미치지 못한다. 따라서 본 연구는 순수강재 (원형강관, 각형강관) 단주 압축실험과 충전형 합성부재 단주, 장주 압축실험을 통하여 SM570TMC강을 충전형 합성기둥으로 사용할 때, 항복강도를 저감시키지 않고 일반 강구조의 공칭강도를 그대로 사용할 수 있는지를 정량적으로 평가하는데 그 목적이 있다.
The existing CFT columns present the deterioration in confining effect after the yield of steel tube, local buckling and the deterioration in load capacity. If lateral load such as earthquake load is applied to CFT columns, strong shearing force and moment are generated at the lower part of the columns and local buckling appears at the column. In this study, axial compression test and beam-column test were conducted for existing CFT square column specimens and those reinforced with carbon fiber sheets (CFS). The variables for axial compression test were width-thickness ratio and the number of CFS layers and those for beamcolumn test were concrete strength and the number of CFS layers. The results of the compression test showed that local buckling was delayed and maximum load capacity improved slightly as the number of layers increased. The specimens' ductility capacity improved due to the additional confinement by carbon fiber sheets which delayed local buckling. In the beam-column test, maximum load capacity improved slightly as the number of CFS layers increased. However, ductility capacity improved greatly as the increased number of CFS layers delayed the local buckling at the lower part of the columns. It was observed that the CFT structure reinforced with carbon fiber sheets controlled the local buckling at columns and thus improved seismic performance. Consequently, it was deduced that the confinement of CFT columns by carbon fiber sheets suggested in this study would be widely used for reinforcing CFT columns.
Two novel types of construction detailings, including using the distributive beam and the inner ring diaphragm in the joint between large-section CFT columns and outrigger truss to enhance the transferring efficiency of huge vertical load, and using the T-shaped stiffeners in the steel tube of large-section CFT columns to promote the local buckling capacity of steel tubes, were tested to investigate their working mechanism and design methods. Experimental results show that the co-working performance between steel tube and inner concrete could be significantly improved by setting the distributive beam and the inner ring diaphragm which can transfer the vertical load directly in the large-section CFT columns. Meanwhile, the T-shaped stiffeners are very helpful to improve the local bulking performance of steel tubes in the column components by the composite action of T-shaped stiffeners together with the core concrete under the range of flange of T-shaped stiffeners. These two approaches can result in a lower steel cost in comparison to normal steel reinforced concrete columns. Finally, a practical engineering case was introduced to illustrate the economy benefits achieved by using the two typical detailings.
To better understand the influence of hollow ratio on the hollow concrete-filled circular steel tubular (H-CFT) stub columns under axial compression and to propose the design formula of ultimate bearing capacity for H-CFT stub columns, 3D finite element analysis and laboratory experiments were completed to obtain the load-deformation curves and the failure modes of H-CFT stub columns. The changes of the confinement effect between core concrete and steel tube with different hollow ratios were discussed based on the finite element results. The result shows that the axial stress of concrete and hoop stress of steel tube in H-CFT stub columns are decreased with the increase of hollow ratio. AfteGr the yield of steel, the reduction rate of longitudinal stress and the increase rate of circumferential stress for the steel tube slowed down. The confinement effect from steel tube on concrete also weakened slowly with the increase of hollow ratio. Based on the limit equilibrium method, a simplified formula of ultimate bearing capacity for the axially loaded H-CFT stub columns was proposed. The predicted results showed satisfactory agreement with the experimental and numerical results.
AISC-LRFD, ACI 318 and Korean design specifications for concrete filled circular steel tube columns do not consider the increasing of axial stiffness such as the elastic modulus and the yield strength due to the confinement effect. AISC-LRFD and ACI 318, however, shows different basic philosophy and equations for computing the elastic modulus and the strength of CFT columns. Through this experimental study, 9 circular CFT column specimens were made by varying thickness steel tube and concrete strength, the axial stiffness were compared. The comparison between the design specifications and the test results shows different values on the elastic modulus and yield strength of the CFT columns. Even though, yield strength of the CFT columns are very similar between AISC-LRFD and Korean design specifications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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