The thick open section composite beams are used extensively as load carrying members and stiffeners of structural elements. However, most of studies on thick composite beams are limited only to closed section beams. In this study, an open cross-section thick-walled composite beam model which includes coupled stiffness, transverse shear, and warping effects is suggested and the deflections associated with the thick-walled composite beams and thin-walled composite beams are obtained and compared with the finite element analysis results. The correlation between thin and thick walled composite beam was achieved for two different layup configurations which are the circumferentially asymmetric stiffness (CAS) and circumferentially uniform stiffness (CUS) beams.
The fatigue fracture of studs is the main reason for failure of composite beams based on massive engineering practices. Hence, studying the laws of cracks initiation and propagation are of great directive significance. eXtended Finite Element Method (XFEM) is an effective method in solving moving discontinuous problems in recent years. This paper extends our recent work on the fatigue damage analysis of stud shear connectors in the steel and crumble rubber concrete (RRFC) composite beams based on XFEM. The process of crack initiation to failure of the stud is simulated and an effective calculation criteria for the fatigue life of the composite beams is put forward. After the reliability of the numerical analysis is verified based on tests results, the extensive parametric study is conducted concerning effects of different rubber contents, shear connection degrees and the stress amplitudes. Results show that with the increasing rubber contents and shear connection degrees, the fatigue lives of composite beams increase obviously. Furthermore, the relationship between the fatigue life of the stud at the edge of the shear span and the whole composite beams is studied. Finally, the S-N curves of the single stud and the whole composite beams are put forward based on XFEM.
To investigate the failure form, bending stiffness, and residual bearing capacity of monolithic composite beams with laminated slab throughout the fire process, fire tests of four monolithic composite beams with laminated slab were performed under constant load and temperature increase. Different factors such as post-pouring layer thickness, lap length of the prefabricated bottom slab, and stud spacing were considered in the fire test. The test results demonstrate that, under the same fire time and external load, the post-pouring layer thickness and stud spacing are important parameters that affect the fire resistance of monolithic composite beams with laminated slab. Similarly, the post-pouring layer thickness and stud spacing are the predominant factors affecting the bending stiffness of monolithic composite beams with laminated slab after fire exposure. The failure forms of monolithic composite beams with laminated slab after the fire are approximately the same as those at room temperature. In both cases, the beams underwent bending failure. However, after exposure to the high-temperature fire, cracks appeared earlier in the monolithic composite beams with laminated slab, and both the residual bearing capacity and bending stiffness were reduced by varying degrees. In this test, the bending bearing capacity and ductility of monolithic composite beams with laminated slab after fire exposure were reduced by 23.3% and 55.4%, respectively, compared with those tested at room temperature. Calculation methods for the residual bearing capacity and bending stiffness of monolithic composite beams with laminated slab in and after the fire are proposed, which demonstrated good accuracy.
The present work describes the experimental tests on steel and lightweight concrete composite beams performed at University of Minho, Portugal. The study involves tests on simply supported composite beams of 4.5 m span, with the same geometrical disposition, supports and materials. The geometrical configuration for the cross section and supports is identical for every beam, varying the shear connectors' distribution and the loading conditions. Headed studs are used to provide the connection between the steel profile and the concrete slab. The parameters in study are the stud disposition and the load distribution. The main objective is to describe the composite beams behaviour, focused on its connection, and to analyse the contribution of the different components to the beams load and deformation capacity. All the tests explored the beams maximum load and deformation capacity and different types of failure were observed.
This study investigates the flexural behavior of steel-concrete composite beams strengthened with prestressed carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) plates. An innovative mechanical anchorage system was developed. The components of the system can be easily assembled on site before applying a prestressing force, and removed from the structures after strengthening is completed. A total of seven steel-concrete composite specimens including four simply supported beams strengthened at the positive moment region and three continuous beams strengthened at the negative moment region were tested statically until failure. Experimental results showed that the use of prestressed CFRP plates enhanced the flexural capacity and reduced the mid-span deflection of the beams. Furthermore, by prestressing the CFRP laminates, the material was used more efficiently, and the crack resistance of the continuous composite specimens at the central support was significantly improved after strengthening. Overall, the anchorage system proved to be practical and feasible for the strengthening of steel-concrete composite beams. The theoretical analysis of ultimate bearing capacity is reported, and good agreement between analytical values and experimental results is achieved.
Gao, Yanmei;Fan, Liang;Yang, Weipeng;Shi, Lu;Zhou, Dan;Wang, Ming
Steel and Composite Structures
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제45권3호
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pp.425-436
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2022
The mechanical behaviors of the prefabricated steel-concrete composite beams are usually affected by the strength and the number of shear studs. Furthermore, the discrete degree of the arrangement for shear stud clusters, being defined as the clustering degree of shear stud λ in this paper, is an important factor for the mechanical properties of composite beams, even if the shear connection degree is unchanged. This paper uses an experimental and calculation method to investigate the influence of λ on the mechanical behavior of the composite beam. Five specimens (with different λ but having the same shear connection degree) of prefabricated composite beams are designed to study the ultimate supporting capacity, deformation, slip and shearing stiffness of composite beams. Experimental results are compared with the conventional slip calculation method (based on the influence of λ) of prefabricated composite beams. The results showed that the stiffness in the elastoplastic stage is reduced when λ is greater than 0.333, while the supporting capacity of beams has little affected by the change in λ. The slip distribution along the beam length tends to be zig-zagged due to the clustering of studs, and the slip difference increases with the increase of λ.
A theoretical research project is undertaken to develop integrated analysis and design tools for long span composite beams in modern high-rise buildings, and it aims to develop non-linear finite element models for practical design of composite beams. As the first paper in the series, this paper presents the development study as well as the calibration exercise of the proposed finite element models for simply supported composite beams. Other practical issues such as continuous composite beams, the provision of web openings for passage of building services, the partial continuity offered by the connections to columns as well as the behaviour of both unprotected and protected composite beams under fires will be reported separately. In this paper, details of the finite elements and the material models for both steel and reinforced concrete are first described, and finite element studies of composite beams with full details of test data are then presented. It should be noted that in the proposed finite element models, both steel beams and concrete slabs are modelled with two dimensional plane stress elements whose widths are assigned to be equal to the widths of concrete flanges, and the flange widths and the web thicknesses of steel beams as appropriate. Moreover, each shear connector is modelled with one horizontal spring and one vertical spring to simulate its longitudinal shear and pull-out actions based on measured load-slippage curves of push-out tests of shear connectors. The numerical results are then carefully analyzed and compared with the corresponding test results in terms of load mid-span deflection curves as well as load end-slippage curves. Other deformation characteristics of the composite beams such as stress and strain distributions across the composite cross-sections as well as distributions of shear forces and slippages in shear connectors along the beam spans are also examined in details. It is shown that the numerical results of the composite beams compare well with the test data in terms of various load-deformation characteristics along the entire deformation ranges. Hence, the proposed analysis and design tools are considered to be simple and yet effective for composite beams with practical geometrical dimensions and arrangements. Structural engineers are strongly encouraged to employ the models in their practical work to exploit the full advantages offered by composite construction.
The use of composite beams with partial interaction, with less shear connectors than those required for full interaction, may be advantageous in many situations. However, these beams tend to show higher deflections compared to beams with full interaction, and codified expressions for the calculation of such deflections are not fully developed and validated. Thus, this paper presents a comprehensive numerical study on the deflections of steel-concrete composite beams with partial interaction. Efficient numerical models of full-scale composite beams considering material nonlinearities and contact between their parts have been developed by means of the advanced software ABAQUS, including a damage model to simulate the concrete slab. The FE models were validated against experimental results, and subsequently parametric studies were developed to investigate the influence of the shear connection degree and the coefficient of friction in the deflection of composite beams. The comparison of predicted deflections using reference codes (AISC, Eurocode-4 and AS-2327.1) against numerical results showed that there are still inaccuracies in the estimation of deflections for the verification of the serviceability limit state, according to some of the analyzed codes.
Experimental studies on the behaviors of box-shape steel reinforced concrete (SRC) composite beams were conducted. Seven 1:3 scale model composite beams were tested to failure. Each of the beams was simply supported at the ends and two concentrated loads were applied at the one-third span and two-thirds span respectively. Experimental results indicate that the flexural strength can be enhanced when the ratio of flexural reinforcements and flange thickness of the shape steel are increased; the shear strength is enhanced with increase of web thickness of the shape steel. Insignificant effects of concrete in the box-shape steel are found on improving the flexural strength and shear strength of the box-shape SRC composite beams, thus concrete inside the box-shape steel can be saved, and the weight of the SRC beams can be decreased. Shear studs can strengthen the connection and co-work effects between the shape steel and the concrete and enhance the shear strength, but stud design for the composite beams should be further improved. Formulas for flexural and shear strength of the composite beams are proposed, and the calculated results are in good agreement with the experimental results. In general, the box-shape SRC composite beam is a kind of ductile member, and suitable for extensive engineering application.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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