A nonlinear finite element model (FEM) using ATENA-3D software to simulate the axially compressive behavior of circular steel tube confined concrete (CSTCC) columns infilled with ultra high performance concrete (UHPC) was presented in this paper. Some modifications to the material type "CC3DNonlinCementitious2User" of UHPC without and with the incorporation of steel fibers (UHPFRC) in compression and tension were adopted in FEM. The predictions of utimate strength and axial load versus axial strain curves obtained from FEM were in a good agreement with the test results of eighteen tested columns. Based on the results of FEM, the load distribution on the steel tube and the concrete core was derived for each modeled column. Furthermore, the effect of bonding between the steel tube and the concrete core was clarified by the change of friction coefficient in the material type "CC3DInterface" in FEM. The numerical results revealed that the increase in the friction coefficient leads to a greater contribution from the steel tube, a decrease in the ultimate load and an increase in the magnitude of the loss of load capacity. By comparing the results of FEM with experimental results, the appropriate friction coefficient between the steel tube and the concrete core was defined as 0.3 to 0.6. In addition to the numerical evaluation, eighteen analytical models for confined concrete in the literature were used to predict the peak confined strength to assess their suitability. To cope with CSTCC stub and intermediate columns, the equations for estimating the lateral confining stress and the equations for considering the slenderness in the selected models were proposed. It was found that all selected models except for EC2 (2004) gave a very good prediction. Among them, the model of Bing et al. (2001) was the best predictor.
Yiran Wu;Xianglin Yu;Yongjiu Shi;Yonglei Xu;Huiyong Ban
Steel and Composite Structures
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v.47
no.2
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pp.269-287
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2023
The WGJ420 fire-resistant weathering (FRW) steel is developed and manufactured with standard yield strength of 420 MPa at room temperature, which is expected to significantly enhance the performance of steel structures with excellent fire and corrosion resistances, strong seismic capacity, high strength and ductility, good resilience and robustness. In this paper, the mechanical properties of FRW steel plates and buckling behavior of columns are investigated through tests at elevated temperatures. The stress-strain curves, mechanical properties of FRW steel such as modulus of elasticity, proof strength, tensile strength, as well as corresponding reduction factors are obtained and discussed. The recommended constitutive model based on the Ramberg-Osgood relationship, as well as the relevant formulas for mechanical properties are proposed, which provide fundamental mechanical parameters and references. A total of 12 FRW steel welded I-section columns with different slenderness ratios and buckling load ratios are tested under standard fire to understand the global buckling behavior in-depth. The influences of boundary conditions on the buckling failure modes as well as the critical temperatures are also investigated. In addition, the temperature distributions at different sections/locations of the columns are obtained. It is found that the buckling deformation curve can be divided into four stages: initial expansion stage, stable stage, compression stage and failure stage. The fire test results concluded that the residual buckling capacities of FRW steel columns are substantially higher than the conventional steel columns at elevated temperatures. Furthermore, the numerical results show good agreement with the fire test results in terms of the critical temperature and maximum axial elongation. Finally, the critical temperatures between the numerical results and various code/standard curves (GB 51249, Eurocode 3, AS 4100, BS 5950 and AISC) are compared and verified both in the buckling resistance domain and in the temperature domain. It is demonstrated that the FRW steel columns have sufficient safety redundancy for fire resistance when they are designed according to current codes or standards.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.4A
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pp.465-474
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2008
Generally design of frame structures composed of beam-column member is accomplished by stability evaluation of each member considering the effective buckling length. This study selects a member of the smallest non-dimension slenderness ratio using the buckling eigenvalue calculated by the elastic buckling eigen-value analysis and axial force of the each member, and decides the initial deflection quantity reflected geometric and material nonlinearities from a suggested equation on the base of standard strength curve of Korea Bridge Design Code. Second-order elastic analysis applying the initial deflection is executed and the stability of each member is evaluated and decides ultimate strength. Through examples of eight-stories and four-stories plane frame structures, the evaluation of the stability is compared with the existing method and ultimate strength of the suggested method is compared with ultimate strength by the nonlinear inelastic analysis. Through these procedures, the increasing of effective buckling length by elastic buckling eigenvalue analysis is prevented from a new design method that considers initial imperfections. And the validity of this method is proved.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.19
no.5
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pp.661-671
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2018
Domestic studies on steel plate concrete structures have focused on nuclear structures with high strength. In this study, the SC structure was applied to the general structure, and the SC structure that is advantageous in terms of safety and construction was limited to a special structure. As a basic study for applying SC, this paper proposes basic design information of a SC structure applying cement concrete to plan the structure, which is suitable for eco - friendliness by replacing concrete cement, an important factor in a SC structure, with blast furnace slag. This study examined the compression characteristics and the effective length factor under central compression load. To calculate the effective length factor, the Euler column theory was applied without applying plate theory. The effective length factor was calculated from the yield strength of the steel plate, buckling of the steel plate, and the point at which the concrete was broken. In addition, this study examined whether the maximum compressive strength meets the national and international reference equations with the slenderness ratio (B/t) as a parameter. By analyzing the buckling of the specimen by applying the column theory and selecting the strain of the measured steel plate, the effective length factor was analyzed and compared with the value presented in the reference equation.
Kim, Jang-Ho Jay;Yi, Na-Hyun;Phan, Duc-Hung;Kim, Sung-Bae;Lee, Kang-Won
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.22
no.4
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pp.535-546
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2010
Recently, the probability of collision accident between vehicles or vessels and infrastructures are increasing at alarming rate. Particularly, collision impact load can be detrimental to sub-structures such as piers and columns. The damaged pier from an impact load of a vehicle or a vessel can lead to member damages, which make the member more vulnerable to impact load due to other accidents which. In extreme case, may cause structural collapse. Therefore, in this study, the vehicle impact load on concrete compression member was considered to assess the quantitative design resistance capacity to improve, the existing design method and to setup the new damage assessment method. The case study was carried out using the LS-DYNA, an explicit finite element analysis program. The parameters for the case study were cross-section variation of pier, impact load angle, permanent axial load and axial load ratio, concrete strength, longitudinal and lateral rebar ratios, and slenderness ratio. Using the analysis results, the performance based resistance capacity evaluation method for impact load using satisfaction curve was developed using Bayesian probabilistic method, which can be applied to reinforced concrete column design for impact loads.
Fixed connection is generally used for beam and column connections of concrete structures, but significant damages at the connection due to severe earthquakes have been reported. In order to reduce damages of the connection and improve seismic performance of the connection, several innovative connections have been suggested. One newly proposed connection type allows a rotation of the connection for applications in rotating or rocking beams, columns, and shear walls. Such structural elements would provide a nonlinear lateral force-displacement response since their contact depth developed during rotation is gradually reduced and the stress across the sections of the elements is non-linearly distributed around a contact area, which is called an elastic hinge region in the present study. The purpose of the present study is to define the elastic hinge region or length for the rocking columns, through investigating the cross-sectional stress distribution during their lateral behavior. Performing a finite element analysis (FEA), several parameters are considered including axial load levels (5% and 10% of nominal strength), different boundary conditions (confined-ends and cantilever types), and slenderness ratios (length/depth = 5, 7, 10). The FEA results showed that the elastic hinge length does not directly depend on the parameters considered, but it is governed by a contact depth only. The elastic hinge length started to develop after an opening state and increased non-linearly until a rocking point(pre-rocking). However, the length did not increase any more after the rocking point (post-rocking) and remained as a constant value. Half space model predicting the elastic hinge length is adapted and the results are compared with the numerical results.
Huang, Yonghui;Liu, Airong;Pi, Yong-Lin;Bradford, Mark A.;Fu, Jiyang
Steel and Composite Structures
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v.34
no.1
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pp.1-15
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2020
This paper presents experimental and numerical studies on effects of local damages on the in-plane elastic-plastic buckling and strength of a fixed parabolic steel tubular arch under a vertical load distributed uniformly over its span, which have not been reported in the literature hitherto. The in-plane structural behaviour and strength of ten specimens with different local damages are investigated experimentally. A finite element (FE) model for damaged steel tubular arches is established and is validated by the test results. The FE model is then used to conduct parametric studies on effects of the damage location, depth and length on the strength of steel arches. The experimental results and FE parametric studies show that effects of damages at the arch end on the strength of the arch are more significant than those of damages at other locations of the arch, and that effects of the damage depth on the strength of arches are most significant among those of the damage length. It is also found that the failure modes of a damaged steel tubular arch are much related to its initial geometric imperfections. The experimental results and extensive FE results show that when the effective cross-section considering local damages is used in calculating the modified slenderness of arches, the column bucking curve b in GB50017 or Eurocode3 can be used for assessing the remaining in-plane strength of locally damaged parabolic steel tubular arches under uniform compression. Furthermore, a useful interaction equation for assessing the remaining in-plane strength of damaged steel tubular arches that are subjected to the combined bending and axial compression is also proposed based on the validated FE models. It is shown that the proposed interaction equation can provide lower bound assessments for the remaining strength of damaged arches under in-plane general loading.
In this study, the lateral behavior of Pile-Bent structures subjected to lateral loading was evaluated by a load-transfer approach. An analytical method based on the Beam-Column model and nonlinear load transfer curve method was proposed to consider material non-linearity (elastic and yielding) and $P-{\Delta}$ effect. Special attention was given to the lateral deflection of Pile-Bent structures depending on different soil properties, lateral load, slenderness ratio based on pier length and reinforcing effect of casing. From the results of the parametric study, it is shown that the increase of lateral displacement in a pile is much less favorable for an inelastic analysis than for an elastic analysis. It is found that for inelastic analysis, the maximum bending moment is located within a depth approximately 3.5D(D: pile diameter) below ground surface, but within 1.5D when $P-{\Delta}$ effect is considered. It is also found that the magnitude and distribution of the lateral deflections and bending moments on a pile are highly influenced by the inelastic analysis and $P-{\Delta}$ effect, let alone soil properties around an embedded pile.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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