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.
An innovated type of the flat steel plate-lightweight aggregate concrete hollow composite slab was presented in this paper. This kind of the slab is composed of flat steel plate and the lightweight aggregate concrete slab, which were interfaced with a set of perfobond shear connectors (PBL shear connectors) with circular hollow structural sections (CHSS) and the shear stud connectors. Five specimens were tested under static monotonic loading. In the test, the influence of shear span/height ratios and arrangements of CHSS on bending capacity and flexural rigidity of the composite slabs were investigated. Based on the test results, the crack patterns, failure modes, the bending moment-curvature curves as well as the strains of the flat steel plate and the concrete were focused and analyzed. The test results showed that the flat steel plate was fully connected to the lightweight aggregate concrete slab and no obvious slippage was observed between the steel plate and the concrete, and the composite slabs performed well in terms of bending capacity, flexural rigidity and ductility. It was further shown that all of the specimens failed in bending failure mode regardless of the shear span/height ratios and the arrangement of CHSS. Moreover, the plane-section assumption was proved to be valid, and the calculated formulas for predicting the bending capacity and the flexural rigidity of the composite slabs were proposed on the basis of the experimental results.
우리나라에서 교량이나 주차장 슬래브용으로 중공 슬래브를 활용한 예는 거의 없었다. 본 연구는 국내에서 생산중인 중공슬레브의 길이가 가장 큰 고성능 중공슬래브를 재설계하고, 그 적용성을 검토한 것이다. 이를 위해 최대 깊이 315 mm인 고성능 중공슬래브에 대하여 12.7 mm 슬래브 하부강선 10개와 상부강선을 4개를 배근한 중공슬래브 80mm 토핑콘크리트를 타설한 4개의 실험체에 휨실험을 실시하여, 차량 등을 위한 고하중에서의 활용성과 슬래브의 합성작용에 대한 검토를 병행하였다. 이 실험에서의 중공슬래브는 10 m-경간 슬래브에서 설계활하중 1,000 kgf/$m^2$를 고려할 때 강도설계에 적합한 연성적 휨파괴 거동을 보여주었다. 또한 슬래브와 토핑콘크리트의 합성거동을 위하여 사용한 직사각형 전단키와 원형 전단키는 모든 단부에서 순수 휨파괴까지 어떠한 미세 균열도 발생하지 않았으므로, 누 종류의 키는 전단키로 충분한 내력을 발휘한 것으로 판단된다.
The subject of the ongoing research work is to analyze the composite action of the structural elements of composite slabs with profiled steel decking by experimental and numerical studies. The mechanical and frictional interlocks result in a complex behaviour and failure under horizontal shear action. This is why the design characteristics can be determined only by standardized experiments. The aim of the current research is to develop a computational method which can predict the behaviour of embossed mechanical bond under shear actions, in order to derive the design characteristics of composite slabs with profiled steel decking. In the first phase of the research a novel experimental analysis is completed on an individual concrete encased embossment of steel strip under shear action. The experimental behaviour modes and failure mechanisms are determined. In parallel with the tests a finite element model is developed to follow the ultimate behaviour of this type of embossment, assuming that the phenomenon is governed by the failure of the steel part. The model is verified and applied to analyse the effect of embossment's parameters on the behaviour. In the extended investigation different friction coefficients, plate thicknesses, heights and the size effects are studied. On the basis of the results the tendencies of the ultimate behaviour and resistance by the studied embossment's characteristics are concluded.
In order to study the fatigue performance of the flat steel plate-lightweight aggregate concrete hollow composite bridge slab subjected to fatigue load, both static test on two specimens and fatigue test on six specimens were conducted. The effects of the arrangement of the steel pipes, the amplitude of the fatigue load and the upper limit as well as lower limit of fatigue load on failure performance were investigated. Besides, for specimens in fatigue test, strains of the concrete, residual deflection, bending stiffness, residual bearing capacity and dynamic response were analyzed. Test results showed that the specimens failed in the fracture of the bottom flat steel plate regardless of the arrangement of the steel pipes. Moreover, the fatigue loading cycles of composite slab were mainly controlled by the amplitude of the fatigue load, but the influences of upper limit and lower limit of fatigue load on fatigue life was slight. The fatigue life of the composite bridge slabs can be determined by the fatigue strength of bottom flat steel plate, which can be calculated by the method of allowable stress amplitude in steel structure design code.
For the replacement of deteriorated concrete decks or wider-span slab, composite slab could be very attactive due to higher stiffness and strength. Based on the previous research, a modified I-beam composite hollow slab was suggested. In order to investigate the static flexural behavior of the proposed composite slab and to suggest its flexural design method, experiments were performed. Judging from the tests, a composite slab with I-beam having a semi-circle hole showed better structural performance. The effect of web details on the flexural stiffness was negligible. Flexural stiffness, ultimate strength, and ductility of the composite slabs were significantly greater than the RC slab due to composite action. While the failure of the RC slab was punching shear failure, the composite hollow slab showed flexural cracking and failure by yielding of the I-beams and crushing of concrete. Therefore, the current one-way design concept is appropriate for the design of I-beam composite hollow slab.
Nine tests to failure are performed on full-scale eight composite beams with unreinforced web opening having ribbed slabs with formed deck which are perpendicular to the steel section and one steel beam. The effects of slab width, reinforcing of stud, moving of rib, moment-shear ratio are studied. At the low M/V ratio, Vierendeel action around the high moment end of the opening is occurred and the large deflection across the opening and transverse cracking are occurred with increasing of applied load. As the M/V ratio increases, the relative deflection across the opening decreases. And at failure, full tensile strain are occurred at bottom T section of steel beam, and concrete crushes at the High Moment End of the opening. With narrow slabs, diagonal tension failure at the high moment end of the opening is occurred. And with wide slabs, rib punch-through failure is occurred near the high moment end of the opening. The implications for design are discussed.
Gluhovic, Nina;Markovic, Zlatko;Spremic, Milan;Pavlovic, Marko
Steel and Composite Structures
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제36권4호
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pp.369-381
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2020
Nowadays, in prefabricated composite construction, composite action between steel beam and concrete slab is often achieved with positioning of shear connectors in envisaged openings of concrete slabs. Prefabricated concrete slabs are used for composite steel-concrete buildings and bridges, both for the construction of new structures and for renovation of existing ones, significantly reducing construction time. Development of different types of shear connectors represent alternative solution to the traditionally used headed studs, considering their shear resistance, stiffness and ductility. New types of shear connectors tend to reduce the construction time and overall construction cost. Mechanically fastened shear connectors represent a viable alternative to headed studs, considering their fast installation process and shear resistance. X-HVB shear connectors are attached to the steel beam with two cartridge fired pins. The first step towards extensive implementation of X-HVB shear connectors in composite construction is to understand their behaviour through experimental investigation. Results of the push-out tests, in accordance to Eurocode 4, with X-HVB 110 shear connectors positioned in envisaged openings of prefabricated concrete slabs are presented in this paper. The experimental investigation comprised three different specimen's layout. Group arrangement of X-HVB shear connectors in envisaged openings included specimens with minimal recommended distances and specimens with reduced distances between connectors in both directions. Influence of different installation procedures on overall behaviour of the connection is presented, as well as the orientation of shear connectors relative to the shear force direction. Influence of variations is characterized in terms of failure mechanisms, shear resistance and ductility.
From the previous experimental test results, it has shown that shear that shear strength in lightweight concrete beams was about 85% on that in normal concrete beams. It is speculated that shear connectors in composite beams of steel and lightweight concrete associated with the longitudinal shear strength decrease more in strength than those in normal concrete. So this paper, as a study on strength of shear connectors in composite beams of steel and lightweight concrete slabs, has a purpose to compare the strength formula resulted from the push-out test of thirteen solid slab and four deck Plate slab with the established ones, and then to suggest a proper strength formula of the shear connectors. The established strength formula of the shear connectors is prescribed for $P_ps = 0.50A_s . \sqrt{f_C . E_C}$by AISC coed, but from the experimental test results the strength values of the shear connectors in lightweignt concrete slabs shows about 70% on those of the shear connectors in normal concrete slabs by AISC code. Therefore, as a strength formula this paper suggests to multiply the established strength formula by reduction factor$(\varphi=0.7)$.
For the design of shear connection for the composite precast concrete slabs. it is necessary to investigate its strength, stiffness, slip capacity and fatigue endurance. For theme purposes, push-out tests were performed with variations of the stud shank diameter and the compressive strength of the mortar. From the experimental studies, it could be observed that the deformation of the shear studs in a full-depth precast concrete slabs were greater than those in a cast-in-place slabs. The static strength of the shear connections obtained agree approximately with those evaluated from the tensile strength of the stud shear connectors owing to the effect of the bedding layer between the slabs and the beams. An empirical equation for the initial shear stiffness of a shear connection was also proposed. On the basis of the push-out tests, a full-scale composite beams with 8.0m span was designed and fatigue tests were carried out to study the behaviour of the stud shear connection and its effects on the flexural behaviour of the beam. The bonding arid friction between the concrete slab and the steel beam considerably increased the fatigue endurance of the shear connection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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