Luat, Nguyen-Vu;Lee, Jaehong;Lee, Do Hyung;Lee, Kihak
Computers and Concrete
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v.25
no.1
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pp.1-14
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2020
This study presents applications of the multivariate adaptive regression splines (MARS) method for predicting the ultimate loading carrying capacity (Nu) of rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) columns subjected to eccentric loading. A database containing 141 experimental data was collected from available literature to develop the MARS model with a total of seven variables that covered various geometrical and material properties including the width of rectangular steel tube (B), the depth of rectangular steel tube (H), the wall thickness of steel tube (t), the length of column (L), cylinder compressive strength of concrete (f'c), yield strength of steel (fy), and the load eccentricity (e). The proposed model is a combination of the MARS algorithm and the grid search cross-validation technique (abbreviated here as GS-MARS) in order to determine MARS' parameters. A new explicit formulation was derived from MARS for the mentioned input variables. The GS-MARS estimation accuracy was compared with four available mathematical methods presented in the current design codes, including AISC, ACI-318, AS, and Eurocode 4. The results in terms of criteria indices indicated that the MARS model was much better than the available formulae.
This paper presents an investigation on seismic behavior of out-of-code Q690 circular high-strength concrete-filled thin-walled steel tubular (HCFTST) columns made up of high-strength (HS) steel tubes (yield strength $f_y{\geq}690MPa$). Eight Q690 circular HCFTST columns with various diameter-to-thickness (D/t) ratios, concrete cylinder compressive strengths ($f_c$) and axial compression ratios (n) were tested under the constant axial loading and reversed cyclic lateral loading. The obtained lateral load-displacement hysteretic curves, energy dissipation, skeleton curves and ductility, and stiffness degradation were analyzed in detail to reflect the influences of tested parameters. Subsequently, a simplified shear strength model was derived and validated by the test results. Finally, a finite element analysis (FEA) model incorporating a stress triaxiality dependent fracture criterion was established to simulate the seismic behavior. The systematic investigation indicates the following: compared to the D/t ratio and axial compression ratio, improving the concrete compressive strength (e.g., the HS thin-walled steel tube filled with HS concrete) had a slight influence on the ductility but an obvious enhancement of energy dissipation and peak load; the simplified shear strength model based on truss mechanism accurately predicted the shear-resisting capacity; and the established FEA model incorporating steel fracture criterion simulated well the seismic behavior (e.g., hysteretic curve, local buckling and fracture), which can be applied to the seismic analysis and design of Q690 circular HCFTST columns.
Concrete filled rectangular steel tubular (CFRST) composite truss girder is composed of the CFRST truss and concrete slab. The failure mechanism of the girder was different under bending and shear failure modes. The bending and shear strength of the girder were investigated experimentally. The influences of composite effect and shear to span ratio on failure modes of the girder was studied. Results indicated that the top chord and the joint of the truss were strengthened by the composited effect. The failure modes of the specimens were changed from the joint on top chord to the bottom chord. However, the composite effect had limited effect on the failure modes of the girder with small shear to span ratio. The concrete slab and top chord can be regarded as the composite top chord. In this case, the axial force distribution of the girder was close to the pin-jointed truss model. An approach of strength prediction was proposed which can take the composite effect and shear to span ratio into account. The approach gave accurate predictions on the strength of CFRST composite truss girder under different bending and shear failure modes.
An experimental study on six axially-loaded composite short columns with different thicknesses of steel tube and that of the concrete plate was carried out. Compared to the mechanical behavior of component specimens under axially compressed, the failure modes, compression deformation, and strain process were obtained. The two main parameters that have a significant enhancement to cross-sectional strength were also analyzed. The failure of an axially loaded UHPC-CFST short column is due to the crushing of the UHPC plate, while the CFST member does reach its maximum resistance. A reduction coefficient K'c, related to the confinement coefficient, is introduced to account for the contribution of CFST members to the ultimate load-carrying capacity of the UHPC-CFST composite short columns. Based on the regression analysis of the relationship between the confinement index ξ and the value of fcc/fc, a unified formula for estimating the axial compressive strength of CFST short columns was proposed, combined with the experimental results in this research, and an equation for reliably predicting the strength of UHPC-CFST composite short columns under axial compression were also proposed.
In current engineering practice, circular concrete-filled steel tubular (CFST) columns have been used as effective structural components due to their significant structural and economic benefits. To apply these structural components into steel-concrete composite moment resisting frames, increasing number of research into the column-base connections of circular CFST columns have been found. However, most of the previous research focused on the strength, rigidity and seismic resisting performance of the circular CFST column-base connections. The present paper attempts to investigate the demountability of bolted circular CFST column-base connections using the finite element method. The developed finite element models take into account the effects of material and geometric nonlinearities; the accuracy of proposed models is validated through comparison against independent experimental results. The mechanical performance of CFST column-base connections with both permanent and demountable design details are compared with the developed finite element models. Parametric studies are further carried out to examine the effects of design parameters on the behaviour of demountable circular CFST column-base connections. Moreover, the initial stiffness and moment capacity of such demountable connections are compared with the existing codes of practice. The comparison results indicate that an improved prediction method of the initial stiffness for these connections should be developed.
An experimental study was performed for thin-walled rectangular concrete-filled tubular (CFT) columns. The present study mainly focused on evaluation of the axial load-carrying capacity of concrete-filled tubular columns using high-strength steel and slender section. The test parameters were width-to-thickness ratio, concrete strength, steel yield strength, and the use of stiffeners. Five specimens were tested under monotonic axial loading. Although elastic local buckling occurred in the slender-section specimens with high-strength steel, the specimens exhibited considerable post-buckling reserve. The test results also satisfied the predictions of a current design code. The specimens strengthened with vertical stiffeners exhibited improved strength and ductility when compared with the un-stiffened specimens.
This research focused on analyzing the post-fire behavior of high-performance concrete-filled steel tube (CFST) columns, with the concrete containing tire rubber and steel fibers, under axial compressive loading. The finite element (FE) modeling of such heated columns containing recycled aggregate is a branch of this field which has not received the proper attention of researchers. Better understanding the post-fire behavior of these columns by measuring their residual strength and deformation is critical for achieving the minimum repair level required for structures damaged in the fire. Therefore, to develop this model, 19 groups of confined and unconfined specimens with the variables including the volume ratio of steel fibers, tire rubber content, diameter-to-thickness (D/t) ratio of the steel tube, and exposure temperature were considered. The ABAQUS software was employed to model the tested specimens so that the accurate behavior of the FE-modeled specimens could be examined under test conditions. To achieve desirable results for the modeling of the specimens, in addition to the novel procedure described in this research, the modified versions of models presented by previous researchers were also utilized. After the completion of modeling, the load-axial strain and load-lateral strain relationships, ultimate strength, and failure mode of the modeled CFST specimens were evaluated against the test data, through which the satisfactory accuracy of this modeling procedure was established. Afterward, using a parametric study, the effect of factors such as the concrete core strength at different temperatures and the D/t ratio on the behavior of the CFST columns was explored. Finally, the compressive strength values obtained from the FE model were compared with the corresponding values predicted by various codes, the results of which indicated that most codes were conservative in terms of these predictions.
The concrete-filled tubular square column is superior to steel frame column in terms of fire resistance because of the thermal storage provided by the concrete. Studies have been conducted on CFT column reinforcement with steel bars or with the use of an internal tube to improve its structural load capacity and fire resistance. In fact, reinforced CFT columns have been increasingly used to deal with high axial force. The functional deterioration of columns due to fire damage needs to be measured precisely. In this study, the temperature distribution inside the columns in case of a fire was evaluated and the degree of deterioration in the load capacity of the concrete and reinforcing members associated with temperature distribution was identified in order to evaluate the overall residual strength of the columns.
Composite columns made of high strength materials have been used in high-rise construction owing to its excellent structural performance resulting in smaller cross-sectional sizes. However, due to the limited understanding of its structural response, current design codes do not allow the use of high strength materials beyond a certain strength limit. This paper reports additional test data, analytical and numerical studies leading to a new design method to predict the ultimate resistance of composite columns made of high strength steel and high strength concrete. Based on previous study on high strength concrete filled steel tubular members and ongoing work on high strength concrete encased steel columns, this paper provides new findings and presents the feasibility of using high strength steel and high strength concrete for general double symmetric composite columns. A nonlinear finite element model has been developed to capture the composite beam-column behavior. The Eurocode 4 approach of designing composite columns is examined by comparing the test data with results obtained from code's predictions and finite element analysis, from which the validities of the concrete confinement effect and plastic design method are discussed. Eurocode 4 method is found to overestimate the resistance of concrete encased composite columns when ultra-high strength steel is used. Finally, a strain compatibility method is proposed as a modification of existing Eurocode 4 method to give reasonable prediction of the ultimate strength of concrete encased beam-columns with steel strength up to 900 MPa and concrete strength up to 100 MPa.
In this study, an effective numerical method is introduced for nonlinear inelastic analyses of rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) frames for the first time. A steel-concrete composite fiber beam-column element model is developed that considers material, and geometric nonlinearities, and residual stresses. This is achieved by using stability functions combined with integration points along the element length to capture the spread of plasticity over the composite cross-section along the element length. Additionally, a multi-spring element with a zero-length is employed to model the nonlinear semi-rigid beam-to-column connections in CFST frame models. To solve the nonlinear equilibrium equations, the generalized displacement control algorithm is adopted. The accuracy of the proposed method is firstly verified by a large number of experiments of CFST members subjected to various loading conditions. Subsequently, the proposed method is applied to investigate the nonlinear inelastic behavior of rectangular CFST frames with fully rigid, semi-rigid, and hinged connections. The accuracy of the predicted results and the efficiency pertaining to the computation time of the proposed method are demonstrated in comparison with the ABAQUS software. The proposed numerical method may be efficiently utilized in practical designs for advanced analysis of the rectangular CFST structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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