Because of the heavy demand of confining steel to restore the column ductility in seismic regions, it is more efficient to confine these columns by hollow steel tube to form concrete-filled-steel-tube (CFST) column. Compared with transverse reinforcing steel, steel tube provides a stronger and more uniform confining pressure to the concrete core, and reduces the steel congestion problem for better concrete placing quality. However, a major shortcoming of CFST columns is the imperfect steel-concrete interface bonding occurred at the elastic stage as steel dilates more than concrete in compression. This adversely affects the confining effect and decrease the elastic modulus. To resolve the problem, it is proposed in this study to use external steel confinement in the forms of rings and ties to restrict the dilation of steel tube. For verification, a series of uni-axial compression test was performed on some CFST columns with external steel rings and ties. From the results, it was found that: (1) Both rings and ties improved the stiffness of the CFST columns and (2) the rings improve significantly the axial strength of the CFST columns while the ties did not improve the axial strength. Lastly, a theoretical model for predicting the axial strength of confined CFST columns will be developed.
This paper introduces an improved design equation to evaluate the resisting capacity of circular reinforced concrete (RC) columns partially strengthened with outer steel tube. When RC column members are required to be strengthened according to the change in the loadings considered and/or the deterioration progress in columns, wrapping up RC column with steel circular tube, which takes the form of concrete filled steel tube (CFST), has been popularly considered because of its structural advantage induced from the confinement effect. However, the relatively high construction cost of steel tube is restricting its use to the required region, while deriving the shape of a partial CFST column. To evaluate the resisting capacity of a partial CFST column, numerical analyses need to be performed, and a numerical model proposed in the previous study for the numerical analysis of full CFST columns is used to conduct parametric studies for the introduction of a design equation. The bond-slip effect developed along the interface between the in-filled concrete and the exterior steel tube is taken into consideration and the validity of the numerical model has been established through correlation studies between experimental data and numerical results for partial CFST circular columns. Moreover, parametric studies make it possible to introduce a design equation for determining the optimum length of outer steel tube which produces partial CFST circular columns.
Cao, Vui Van;Vo, Cuong Trung;Nguyen, Phuoc Trong;Ashraf, Mahmud
Earthquakes and Structures
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제21권5호
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pp.445-460
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2021
This study experimentally explored the behaviour of 12 concrete filled steel tube (CFST) and steel tube columns subjected to lateral cyclic loading. The L/D ratio was 12.3 while D/t ratios were 45.4, 37.8 and 32.4, classifying these 12 specimens into 3 groups. Each group included 3 CFST and 1 steel tube columns and were tested to failure. The experimental results indicated that CFST specimens reached the state of 'collapse prevention' (drift 4%) prior to the occurrence of local buckling. Strength degradation of CFST specimens did not occur up to the failure by buckling. This showed the favourable characteristic of CFST columns in preventing collapse of structures subjected to earthquakes. The high energy absorption capability in the post collapse limit state was appropriate for dissipating energy in structures. Compared to steel tube columns, CFST columns delayed local buckling and prevented inward buckling. Consequently, CFST columns exhibited their outstanding seismic performance in terms of the increased ultimate resistance, capacity to sustain 2-3 additional load cycles and significantly higher drift. A simple and reasonably accurate model was proposed to predict the ultimate strength of CFST columns under lateral cyclic loading.
본 논문에서는 부분 CFST (concrete-filled steel tube) 기둥에 대한 수치해석적 저항력 평가 방법에 대해 소개하고 있다. 기존 RC(reinforced concrete) 기둥에서 소성힌지가 발생할 것으로 예상되는 부분을 강관으로 보강함으로써 완전 CFST 기둥보다는 적은 재료를 사용하여 비슷한 휨 모멘트 저항력을 가지는 부분 CFST 기둥의 디자인 컨셉을 제시하였다. 부분 CFST 기둥에서 외부 강관과 내부 콘크리트 사이의 계면에서 거동을 수치해석적으로 모사하기 위해 개선된 부착슬립모델을 적용한 유한요소모델을 구축하고, 이중곡률 휨-압축시험결과와 비교를 통해 타당성을 검증하였다. 검증된 수치모델을 바탕으로 매개변수 연구를 통해서 P-M 상관도를 그려 단면 조건에 따른 최대 저항력을 평가하였다. 또한, 강관 두께별로 필요 보강길이를 산출하고, 보강 조건에 따른 부분 CFST 기둥에서의 파괴메커니즘을 분석하였다.
This study investigates the eccentric performance of concrete-filled steel tubular (CFST) stub columns strengthened with steel tube and sandwiched concrete (STSC) jackets. It was revealed that the STSC jacketing method effectively weakened the cracking of concrete in CFST columns on the convex side and the crash on the concave side. Substantial increases in the eccentric bearing capacities were demonstrated after strengthening. A numerical study was further conducted. The decrease in diameter-to-thickness ratio and increase in strength of outer tube contributed to increase in peak load of all components, whereas the increase in sandwiched concrete strength resulted in load increase on itself and had negligible effects on other components. The parametric study showed the effect of inner concrete strength on columns' bearing capacity was magnified after strengthening, whereas that of inner tube thickness was reduced. Within the parameters investigated, high-strength concrete and high-strength steel can be applied without the concern of early abrupt failure of inner low-strength concrete or steel tube.
The interaction between steel tube and concrete core is the key design considerations for concrete-filled steel tube columns. In a concrete-filled steel tube (CFST) column, the steel tube provides confinement to the concrete core which permits the composite action among the steel tube and the concrete. Due to construction faults and plastic shrinkage of concrete, the debonding separation at the steel-concrete interface weakens the confinement effect, and hence affects the behaviour and bearing capacity of the composite member. This study investigates the axial loading behavior of the concrete filled circular steel tube columns with debonding separation. A three-dimensional nonlinear finite element model of CFST composite columns with introduced debonding gap was developed. The results from the finite element analysis captured successfully the experimental behaviours. The calibrated finite element models were then utilized to assess the influence of concrete strength, steel yield stress and the steel-concrete ratio on the debonding behaviour. The findings indicate a likely significant drop in the load carrying capacity with the increase of the size of the debonding gap. A design formula is proposed to reduce the load carrying capacity with the presence of debonding separation.
In order to reduce the deformation and delay the local buckling of concrete filled steel tube (CFST) columns, strengthening the structures with stiffeners is an effective method. In this paper, a new stiffening method with inclined stiffeners was used to investigate the behaviors of short CFST columns under axial compression. Besides, a three-dimensional nonlinear finite element (FE) model was applied to simulate the mechanical performances, including the total deformation, local buckling, and stress-strain relationship. Revised constitutive models of stiffened steel tube and confined concrete are proposed. A good agreement was achieved between the test and FE results. Furthermore, the calculated results of load capacity by using a simplified method also show a good correlation with experimental data.
Concrete-filled-steel-tubular (CFST) columns have been well proven to improve effectively the strength, stiffness and ductility of concrete members. However, the central part of concrete in CFST columns is not fully utilised under uni-axial compression, bending and torsion. It has small contribution to both flexural and torsion strength, while it can be replaced effectively by steel with smaller area to give similar load-carrying capacity. Also, the confining pressure in CFST columns builds up slowly because the initial elastic dilation of concrete is small before micro-crackings of concrete are developed. From these observations, it is convinced that the central concrete can be effectively replaced by another hollow steel tube with smaller area to form double-skinned concrete-filled-steel-tubular (CFDST) columns. In this study, a series of uni-axial compression tests were carried out on CFDST and CFST columns with and without external steel rings. From the test results, it was observed that on average that the stiffness and elastic strength of CFDST columns are about 25.8% and 33.4% respectively larger than CFST columns with similar equivalent area. The averaged axial load-carrying capacity of CFDST columns is 7.8% higher than CFST columns. Lastly, a theoretical model that takes into account the confining effects of steel tube and external rings for predicting the uni-axial load-carrying capacity of CFDST columns is developed.
Concrete filled steel tube (CFST) structures have been used widely in high-rise buildings and bridges due to the efficiency of structurally favourable interaction between the steel tube and the concrete core. In the current design codes only one loading condition in the column members is considered, i.e., the load is applied on the steel tube and concrete core at the same time. However, in engineering practice the tube structures may be subjected to various loading conditions such as loading on the concrete core only, preloading on the steel tube skeleton before filling of concrete core, and so on. In this research, a series of comparative experiments were carried out to study the structural performance of concrete filled circular steel tube columns subject to four concentric loading schemes. Then, a generalized prediction method is developed to evaluate the ultimate load capacity of CFST columns subject to various loading conditions. It is shown that the predictions by the proposed method agree well with test results.
Faxing Ding;Changbin Liao;Chang He;Wei Gao;Liping Wang;Fei Lyu;Yuanguang Qiu;Jianjun Yang
Computers and Concrete
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제31권2호
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pp.123-137
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2023
To fully understand shear mechanisms and composite effects of circular concrete-filled steel tube (CFST) columns, systematic numerical investigations were conducted in this paper by improved finite element models. The triaxial plastic-damage constitutive model of the concrete and the interactions between the concrete and steel tube were considered. Afterwards, the critical and upper bound shear span ratios of the circular CFST column under lateral shear loading were determined. The composite effects between the two materials were analyzed by comparing the shear resistance with plain concrete column and hollow steel tube. In addition, a method that predicts the shear bearing capacity of a circular CFST column was proposed. The confining effects on the concrete core and the restraining effects on the steel tube were considered in this method. The proposed formula can predict more accurate results than the methods in different codes and references.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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