Previous theoretical equations for the shear capacity of steel beam to concrete filled steel tube (CFT) column connections vary in the assumptions for the shear deformation mechanisms and adopt different equations for calculating shear strength of each component (steel tube webs, steel tube flanges, diaphragms, and concrete etc.); thus result in different equations for calculating shear strength of the joint. Besides, shear force-deformation relations of the joint, needed for estimating building drift, are not well developed at the present. This paper compares previously proposed equations for joint shear capacity, discusses the shear deformation mechanism of the joint, and suggests recommendations for obtaining more accurate predictions. Finite element analyses of internal diaphragm connections to CFT columns were carried out in ABAQUS. ABAQUS results and theoretical estimations of the shear capacities were then used to calibrate rotational springs in joint elements in OpenSEES simulating the shear deformation behavior of the joint. The ABAQUS and OpenSEES results were validated with experimental results available. Results show that: (1) shear deformation of the steel tube dominates the deformation of the joint; while the thickness of the diaphragms has a negligible effect; (2) in OpenSEES simulation, the joint behavior is highly dependent on the yielding strength given to the rotational spring; and (3) axial force ratio has a significant effect on the joint deformation of the specimen analyzed. Finally, modified joint shear force-deformation relations are proposed based on previous theory.
This paper presents experimental results on the residual bond-slip behavior of high strength concrete-filled square steel tube (HSCFST) after elevated temperatures. Three parameters were considered in this test: (a) temperature (i.e., $20^{\circ}C$, $200^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, $800^{\circ}C$); (b) concrete strength (i.e., C60, C70, C80); (c) anchorage length (i.e., 250 mm, 400 mm). A total of 17 HSCFST specimens were designed for push-out test after elevated temperatures. The load-slip curves at the loading end and free end were obtained, in addition, the distribution of steel tube strain and the bond stress along the anchorage length were analyzed. Test results show that the shape of load-slip curves at loading ends and free ends are similar. With the temperature constantly increasing, the bond strength of HSCFST increases first and then decreases; furthermore, the bond strength of HSCFCT proportionally increases with the anchoring length growing. Additionally, the higher the temperature is, the smaller and lower the bond damage develops. The energy dissipation capacity enhances with the concrete strength rasing, while, decreases with the temperature growing. What is more, the strain and stress of steel tubes are exponentially distributed, and decrease from the free end to loading end. According to experimental findings, constitutive formula of the bond slip of HSCFST experienced elevated temperatures is proposed, which fills well with test data.
This paper presents the seismic behaviors and restoring force model of ring beam joints of steel tube-reinforced concrete column structure under cyclic loading. First, the main failure mode, ultimate bearing capacity, stiffness degradation and energy dissipation capacity are studied. Then, the effects of concrete grade, steel grade, reinforcement ratio and radius-to-width ratios are discussed. Finally, the restoring force model is proposed. Results show that the ring beam joints of steel tube-reinforced concrete column structure performs good seismic performances. With concrete grade increasing, the ultimate bearing capacity and energy dissipation capacity increase, while the stiffness degradation rates increases slightly. When the radius-width ratio is 2, with reinforcement ratio increasing, the ultimate bearing capacity decreases. However, when the radius-to-width ratios are 3, with reinforcement ratio increasing, the ultimate bearing capacity increases. With radius-to-width ratios increasing, the ultimate bearing capacity decreases slightly and the stiffness degradation rate increases, but the energy dissipation capacity increases slightly.
Post-earthquake fire is a common disaster which causes serious safety issues to infrastructures. This study aims to investigate the residual loading capacities of circular concrete-filled steel tube (CFST) columns under post-earthquake fire experimentally and numerically. The experimental programme contains two loading steps - pre-damage cyclic loading at room temperature and transient state tests with constant compression loads. Three finite element models are developed and validated against the test results. Upon validation, a total of 48 numerical results were generated in the parametric study to investigate the effects of thickness and strengths of steel tube, axial compression ratio and damage degree on the fire resistance of circular CFST columns. Based on the analysis on experimental and numerical results, the loading mechanism of circular CFST columns is discussed. A design method is proposed for the prediction of fire resistance time under different seismic pre-damage and compression loads. The predictions by the new method is compared with the newly generated experimental and numerical results and is found to be accurate and consistent with the mean value close to the unity and a coefficient of variation around 1%.
Memarzadeh, Armin;Shahmansouri, Amir Ali;Poologanathan, Keerthan
Steel and Composite Structures
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v.44
no.3
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pp.309-324
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2022
The post-fire elastic stiffness and performance of concrete-filled steel tube (CFST) columns containing recycled aggregate concrete (RAC) has rarely been addressed, particularly in terms of material properties. This study was conducted with the aim of assessing the modulus of elasticity of recycled aggregate concrete-filled steel tube (RACFST) stub columns following thermal loading. The test data were employed to model and assess the elastic modulus of circular RACFST stub columns subjected to axial loading after exposure to elevated temperatures. The length/diameter ratio of the specimens was less than three to prevent the sensitivity of overall buckling for the stub columns. The gene expression programming (GEP) method was employed for the model development. The GEP model was derived based on a comprehensive experimental database of heated and non-heated RACFST stub columns that have been properly gathered from the open literature. In this study, by using specifications of 149 specimens, the variables were the steel section ratio, applied temperature, yielding strength of steel, compressive strength of plain concrete, and elastic modulus of steel tube and concrete core (RAC). Moreover, parametric and sensitivity analyses were also performed to determine the contribution of different effective parameters to the post-fire elastic modulus. Additionally, comparisons and verification of the effectiveness of the proposed model were made between the values obtained from the GEP model and the formulas proposed by different researchers. Through the analyses and comparisons of the developed model against formulas available in the literature, the acceptable accuracy of the model for predicting the post-fire modulus of elasticity of circular RACFST stub columns was seen.
The rotation capacities of the plastic hinges located at beam-ends are significantly reduced in traditional steel framed-tube structures (SFTSs) because of the small span-to-depth ratios of the deep beams, leading to the low ductility and energy dissipation capacities of the SFTSs. High-strength steel framed-tube structures with replaceable shear links (HSSFTS-RSLs) are proposed to address this issue. A replaceable shear link is located at the mid-span of a deep spandrel beam to act as a ductile fuse to dissipate the seismic energy in HSSFTS-RSLs. A 2/3-scaled HSSFTS-RSL specimen with a shear link fabricated of high-strength low-alloy Q355 structural steel was created, and a cyclic loading test was performed to study the hysteresis behaviors of this specimen. The test results were compared to the specimens with soft steel shear links in previous studies to investigate the feasibility of using high-strength low-alloy steel for shear links in HSSFTS-RSLs. The effects of link web stiffener spaces on the cyclic performance of the HSSFTS-RSLs with Q355 steel shear links were investigated based on the nonlinear numerical analysis. The test results indicate that the specimen with a Q355 steel shear link exhibited a reliable and stable seismic performance. If the maximum interstory drift of HSSFTS-RSL is designed lower than 2% under earthquakes, the HSSFTS-RSLs with Q355 steel shear links can have similar seismic performance to the structures with soft steel shear links, even though these shear links have similar shear and flexural strength. For the Q355 steel shear links with web height-to-thickness ratios higher than 30.7 in HSSFTS-RSLs, it is suggested that the maximum intermediate web stiffener space is decreased by 15% from the allowable space for the shear link in AISC341-16 due to the analytical results.
Durability problems may arise in the concrete, which is one of the major construction materials, used in the construction field. Bridge piers and foundation piles are usually made with concrete and they are exposed to the moisture and hence the durability of the concrete reduced significantly due to oxidization of re-bar and icing of concrete. To mitigate such problems, FRP tube has been developed and the concrete filled FRP tube (CFFT) has been investigated to find the confinement effect which is provided additionally. It was reported that if the concrete is wrapped with FRP, strength and chemical resistance are improved significantly. In order to apply such a member in the construction field, structural behavior and applicable design guideline or design criteria must be thoroughly investigated. In the experimental investigation, the results are compared with the previous research results and the relationship which can predict the ultimate strength and strain is suggested. In addition, some comments found at the compression tests are given briefly.
This study that is a successive secondary study right after the primary bending strength test of a new form of U-shape hybrid composite beam is a cyclic seismic test of U-shape hybrid composite beam and column conncetion. Three specimens are built for the variables which are kinds of columns, depth of beam, continuity or discontinuity of upper plate of beam, and a number of steel bars of end-beam. Kinds of columns are a reinforcement concrete column and a ACT column of CFT shape, and beam depth are 300, and 500 mm. Detail of connection is bolt connection with using a short bracket that is commonly use. As the result, deformability of 2~4% is ensured the floor displacement angle. If it is the negative moment, the maximum moment shows that its capacity is above the nominal moment.
In this paper, we present an optimization method for the single Dallenbach-layer type microwave absorbers composed of E-glass fabric/epoxy composite laminates. The composite prepreg containing carbon nanotubes (CNT) was used to control the electrical property of the composites laminates. The design technology using the genetic algorithm was used to get the optimal thicknesses of the laminates and the filler contents at various center frequencies, for which the numerical model of the complex permittivity of the composite laminate was incorporated. In the optimal design results, the content of CNT increased in proportion to the center frequency, but, on the contrary, the thickness of the microwave absorbers decreased. The permittivity and reflection loss are measured using vector network analyzer and 7 mm coaxial airline. The influence of the mismatches in between measurement and prediction of the thickness and the complex permittivity caused the shift of the center frequency, blunting of the peak at the center frequency and the reduction of the absorbing bandwidth.
Mechanical properties of static and dynamic behavior became important since the use of conical composite tubes in large structures such as aerospace, planes, and submarines as well as leisure goods such as bicycle frames, fishing rods, and golf shafts. In the past, the mechanical property prediction model for static behavior was studied using vibration, bending, and buckling. But there is a need to study how fiber orientation error affects mechanical properties of conical composite structure because the model assumes constant fiber orientation angle. The purpose of this study is to derive an equation that can predict the static behavior of conical composite tube for bicycle frames by considering fiber orientation error with respect to various design parameters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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