This paper presents a finite element model for predicting the behaviour of high-strength steel bolted beam-to-column joints under monotonic loading. The developed numerical model considers the effects of material nonlinearities and geometric nonlinearities. The accuracy of the developed model is examined by comparing the predicted results with independent experimental results. It is demonstrated that the proposed model accurately predicts the ultimate flexural resistances and moment-rotation curves for high-strength steel bolted beam-to-column joints. Mechanical performance of three joint configurations with various design details is examined. A parametric study is carried out to investigate the effects of key design parameters on the behaviour of bolted beam-to-column joints with double-extended endplates. The plastic flexural capacities of the beam-to-column joints from the experimental programme and numerical analysis are compared with the current codes of practice. It is found that the initial stiffness and plastic flexural resistance of the high-strength steel beam-to-column joints are overestimated. Proper modifications need to be conducted to ensure the current analytical method can be safely used for the bolted beam-to-column joints with high-performance materials.
Polyester composites play a vital role in civil engineering applications, especially in bridge and car park structures. Therefore, the addition of waste silica-based fillers will both improve the mechanical and durability performance of composites and produce an environmentally friendly material. In this study, the mechanical performance of polyester composites was investigated experimentally and numerically by adding micro and nano-sized silica-based fillers, marble powder, silica fume and nano-silica. 24 cubes for the compression test and 18 prisms for the flexural test were produced in six different groups containing 30% marble powder, 5% silica fume and 1% nano-silica by weight. SEM/EDS testing was used to investigate the distribution of filler particles in the matrix. Experimentally collected results were used to validate tests in the Abaqus software. Additionally, the Extended Finite Element Method (XFEM) was used to estimate the fracture process for the flexural test. The results show that the added silica fume, marble powder and nano silica improves the compressive strength of polyester composites by 32-38% and the flexural tensile strength by 10-60% compared to pure polyester composite. The numerically obtained results matched well with the experimental data, demonstrating the accuracy and feasibility of the calibrated finite element model.
Composite beams of steel and concrete strengthened with fiber-reinforced polymers (FRP) may exhibit considerably enhanced flexural behaviour, but the combination of three materials with different characteristics and the various possible failure mechanisms that may govern performance make their analysis quite demanding. Previous studies provided significant insights into this problem and several methods were proposed for calculating flexural stiffness and strength, but these studies are restricted to the single member level of a simply supported composite beam section. However, the problem considerably changes when the beam is part of a frame system due to the degree of continuity provided by the surrounding structure, which represents the most common situation in practice. This paper explores the behaviour of semi-continuous FRP-strengthened composite beams, by considering the response characteristics of their end connections and their effects on overall performance. A novel analytical model is derived, which enables a step-by-step representation of the nonlinear relationship between an incremental mid-span design bending moment and corresponding connection rotations. After verification against finite element analyses, a parametric study is conducted which shows that the substantially increased bending moment resistance of FRP-strengthened composite beams can hardly be fully utilized due to a deficiency of corresponding large deformation capacity available in the connections. The extent to which the presence FRP strengthening can be exploited to enhance the beam flexural response depends on the interplay between various structural parameters, including the connection rotation capacity, the beam span, and the FRP modulus of elasticity and ultimate strength.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.3
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pp.143-149
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2019
In this study, a U-shape composite beam was developed to be effectively used for a steel parking lot which is 8m or lower in height. When the U-shape composite beam was applied to a steel parking lot, essential considerations were story-height and long-span. In addition, due to the mixed structural system with reinforced concrete and steel material, the U-shape composite beam needed to have a structural integrity and reliable performance over demand capacity. The main objective of this study was to investigate the performance of the structure consisting of the reinforced concrete (RC) slab and U-shape beam. A U-shape composite beam generally used at a parking lot served as a control specimen. Four specimens were tested under four-point bending. To calculate theoretical values, strain gauges were attached to rebar, steel plate, and concrete surface in the middle of the specimens. As the results, initial yielding strength of the control specimen occurred at the bottom of the U-shaped steel. After yielding, the specimen reached the maximum strength and the RC slab concrete was finally failed by concrete crush due to compressive stress. The structural performance such as flexural strength and ductility of the specimen with the increased beam depth was significantly improved in comparison with the control specimen. Furthermore, the design of the U-shape composite beam with the consideration of flexural strength and ductility was effective since the structural performance by a negative loading was relatively decreased but the ductile behavior was evidently improved.
Kim, Hong-Seop;Nam, Jeong-Soo;Kim, Jung-Hyun;Han, Sang-Hyu;Kim, Gyu-Yong
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.18
no.5
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pp.41-50
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2014
This study evaluated the bonding property of fiber and flexural behavior of fiber reinforced concrete. Amorphous steel fiber, hooked steel fiber and polyamide fiber was used for evaluation of bonding property and flexural behavior. As a result, the hooked steel fiber was pulled out from matrix when peak stress. However amorphous steel fiber occurred shear failure because bonding strength between fiber and matrix was higher than tensile strength of fiber. Polyamide fibers occurred significantly displacement to peak stress because of elongation of fiber. After that peak stress, fiber was cut off. Amorphous steel fiber reinforced concrete had a greater maximum flexural load compared with hooked steel fiber reinforced concrete because bonding performance between fiber and matrix was high and mixed population of fiber was many. However flexural stress was rapidly reduced in load-deflection curve because of shear failure of fiber. Flexural stress of hooked steel fiber reinforced concrete was slowly reduced because fiber was pulled out from the matrix. In the case of polyamide fiber reinforced concrete, flexural stress was rapidly lowered because of elongation of fiber. However flexural stress was increased again because of bonding property between polyamide fiber and matrix. The pull-out properties of the fiber and matrix has effect on the deformation capacity and flexural strength of fiber reinforced concrete.
Dar, M. Adil;Subramanian, N.;Atif, Mir;Dar, A.R.;Anbarasu, M.;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.3
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pp.333-345
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2020
In the past, many efficient profiles have been developed for cold-formed steel (CFS) members by judicious intermediate stiffening of the cross-sections, and they have shown improved structural performance over conventional CFS sections. Most of this research work was based on numerical modelling, thus lacking any experimental evidence of the efficiency of these sections. To fulfill this requirement, experimental studies were conducted in this study, on efficient intermediately stiffened CFS sections in flexure, which will result in easy and simple fabrication. Two series of built-up sections, open sections (OS) and box sections (BS), were fabricated and tested under four-point loading with same cross-sectional area. Test strengths, modes of failure, deformed shapes, load vs. mid-span displacements and geometric imperfections were measured and reported. The design strengths were quantified using North American Standards and Indian Standards for cold-formed steel structures. This study confirmed that efficient profiling of CFS sections can improve both the strength and stiffness performance by up to 90%. Closed sections showed better strength performance whereas open sections showed better stiffness performance.
PURPOSES : The purpose of the study was to examine dynamic features of concrete after mixing a little macro fiber with small aspect ratio and long length utilized for bridge, tunnel and shotcrete for tensile performance and crack control in domestic/overseas countries with cement concrete pavement mix. METHODS : Coarse aggregates with small aspect ratio and macro fibers with maximum length of approximately 32 mm are introduced in small quantities in the mix proportions of concrete pavement so as to prevent loss of the workability. Then, this study intends to evaluate the applicability of macro fibers in the mix proportions of concrete pavement by examining the basic construction performance, as well as the change of toughness, the equivalent bending strength and the flexural toughness index caused by compression, bending, tension and the flexural stress-displacement curve. RESULTS : As the results, in each kind of macro fiber, polyvinyl alcohol fiber and steel fiber displayed a good performance. CONCLUSIONS : In 0.2 and 0.3% of fiber contents, it is appeared that polyvinyl alcohol fiber has a large effect on improvement of tensile performance and steel fiber on improvement of deforming performance of bending stress.
Concrete cracking due to brittle tension strength significantly prevents fully utilization of the materials for "flexural-shear failure" type shear walls. Theoretical and experimental studies applying fiber reinforced concrete (FRC) have achieved fruitful results in improving the seismic performance of "flexural-shear failure" reinforced concrete shear walls. To come to an understanding of an optimal design strategy and find common performance prediction method for design methodology in terms to FRC shear walls, seismic performance on shear walls with PVA and steel FRC at edge columns and plastic region are compared in this study. The seismic behavior including damage mode, lateral bearing capacity, deformation capacity, and energy dissipation capacity are analyzed on different fiber reinforcing strategies. The experimental comparison realized that the lateral strength and deformation capacity are significantly improved for the shear walls with PVA and steel FRC in the plastic region and PVA FRC in the edge columns; PVA FRC improves both in tensile crack prevention and shear tolerance while steel FRC shows enhancement mainly in shear resistance. Moreover, the tensile strength of the FRC are suggested to be considered, and the steel bars in the tension edge reaches the ultimate strength for the confinement of the FRC in the yield and maximum lateral bearing capacity prediction comparing with the model specified in provisions.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.2
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pp.61-68
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2023
A two-hour fire-resistance PC hollow slab for residential use was developed to secure structural and fire-resistance performance and to be applied to the general building and apartment housing markets. Compared to the existing hollow slab, in order to secure the same or better structural performance and economic feasibility by reducing the quantity, it was attempted to secure the fire resistance performance by reducing the concrete filling rate in the cross section and adjusting the thickness of the upper and lower flanges by optimizing the hollow shape in the cross section of the slab. For structural performance evaluation, experiments were performed on PC hollow slabs by varying the member thickness and the presence or absence of overlaid concrete, and all of the experimental results showed that the design strength was sufficiently exhibited and that stability during construction was possible. The developed synthetic PC hollow slab has secured fire resistance and residential performance so that it can be applied to all buildings, and it is intended to be immediately applied to the field.
Bhutta, M. Aamer Rafique;Tsuruta, Ken;Ohama, Yoshihiko
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.2
no.1
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pp.35-39
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2008
This experimental study examines the applicability of polymer mortar permanent forms using a methyl methacrylate (MMA) solution of waste expanded polystyrene (EPS) to develop effective recycling processes for the EPS, referring to the flexural behavior of a polymer-impregnated mortar permanent form with almost the same performance as commercial products. An MMA solution of EPS is prepared by dissolving EPS in MMA, and unreinforced and steel fiber-reinforced polymer mortars are mixed using the EPS-MMA-based solution as a liquid resin or binder. Polymer mortar permanent forms (PMPFs) using the EPS-MMA-based polymer mortars without and with steel fiber and crimped wire cloth reinforcements and steel fiber-reinforced polymer-impregnated mortar permanent form (PIMPF) are prepared on trial, and tested for flexural behavior under four-point (third-point) loading. The EPS-MMAbased PMPFs are more ductile than the PIMPF, and have a high load-bearing capacity. Consequently, they can replace PIMPF in practical applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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