Sharif, Alfarabi M.;Assi, Nizar A.;Al-Osta, Mohammed A.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.3
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pp.321-332
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2020
The loss of composite action at the hogging moment zone for a continuous composite girder reduces the girder stiffness and strength. This paper presents an experimental investigation of the use of an ultra-high performance concrete (UHPC) slab at the hogging moment zone and a normal concrete (NC) slab at the sagging moment zone. The testing was conducted to verify the level of loading at which composite action is maintained at the hogging moment zone. Four two-span continuous composite girders were tested. The thickness of the UHPC varied between a half and a full depth of slab. The degree of shear connection at the hogging moment zone varied between full and partial. The experimental results confirmed the effectiveness of the UHPC slab to enhance the girder stiffness and maintain the composite action at the hogging moment zone at a load level much higher than the upper service load limit. To a lesser degree enhanced performance was also noted for the smaller thickness of the UHPC slab and partial shear connection at the hogging moment zone. Plastic analysis was conducted to evaluate the ultimate capacity of the girder which yielded a conservative estimation. Finite element (FE) modeling evaluated the girder performance numerically and yielded satisfactory results. The results indicated that composite action at the hogging moment zone is maintained for the degree of shear connection taken as 50% of the full composite action and use of UHPC as half depth of slab thickness.
Bridge fire hazard has become a growing concern over the last decade due to the rapid increase of ground transportation of hazardous materials and resulting fire incidents. The lack of fire safety provisions in steel bridges can be a significant issue owing steel thermal properties that lead to fast degradation of steel properties at elevated temperatures. Alternatively, the development of composite action between steel girders and concrete decks can increase the fire resistance of steel bridges and meet fire safety requirements in some applications. This paper reviews the fire problem in steel bridges and the fire behavior of composite steel-concrete bridge girders. A numerical model is developed to trace the fire response of a typical bridge girder and is validated using measurements from fire tests. The selected bridge girder is composed by a hot rolled steel section strengthened with bearing stiffeners at midspan and supports. A concrete slab sitting on the top of the girder is connected to the slab through shear studs to provide full composite action. The validated numerical model was used to investigate the fire resistance of real scale bridge girders and the effect of the composite action under different scenarios (standard and hydrocarbon fires). Results showed that composite action can significantly increase the fire resistance of steel bridge girders. Besides, fire severity played an important role in the fire behavior of composite girders and both factors should be taken into consideration in the design of steel bridges for fire safety.
The novel form of composite walling system consists of two skins of profiled steel sheeting with an in-fill of concrete. The behaviour of such walling under in-plane shear is important in order to utilise this system as shear elements in a steel framed building. Steel sheet-concrete interface governs composite action, overall behaviour and failure modes of such walls. This paper describes the finite element (FE) modelling of the shear behaviour of walls with particular emphasis on the simulation of steel-concrete interface. The modelling of complex non-linear steel-concrete interaction in composite walls is conducted by using different FE models. Four FE models are developed and characterized by their approaches to simulate steel-concrete interface behaviour allowing either full or partial composite action. Non-linear interface or joint elements are introduced between steel and concrete to simulate partial composite action that allows steel-concrete in-plane slip or out of plane separation. The properties of such interface/joint elements are optimised through extensive parametric FE analysis using experimental results to achieve reliable and accurate simulation of actual steel-concrete interaction in a wall. The performance of developed FE models is validated through small-scale model tests. FE models are found to simulate strength, stiffness and strain characteristics reasonably well. The performance of a model with joint elements connecting steel and concrete layers is found better than full composite (without interface or joint elements) and other models with interface elements. The proposed FE model can be used to simulate the shear behaviour of composite walls in practical situation.
The paper presents a numerical investigation, done with the computer program SAFIR, in order to obtain simpler finite element models for representing the behaviour of the partially protected composite steel concrete slabs in fire situations, considering the membrane action. Appropriate understanding and modelling of the particular behaviour of composite slabs allows a safe approach, but also substantial savings on the thermal insulation that has to be applied on the underlying steel structure. The influence of some critical parameters on the behaviour and fire resistance of composite slabs such as the amount of reinforcing steel, the thickness of the slab and the edge conditions is also highlighted. The results of the numerical analyses are compared with the results of three full scale fire tests on composite slabs that have been performed in recent years.
The objective of this paper is to investigate the flexural behavior of concrete-filled round-ended steel tubes (CFRTs) under bending. Beam specimens were tested to investigate the mechanical behavior of the CFRTs, including four CFTs with different concrete strengths and steel ratios, and three CFRTs with varied aspect ratios. The load vs. deflection relationships and the failure modes for CFRTs were analyzed in detail. The composite action between the core concrete and steel tube was also discussed and examined based on the experimental results. In addition, ABAQUS program was used to develop the full-scale finite element model and analyze the effect of different parameters on the moment vs. curvature curves of the CFRTs bending about the major and minor axis, respectively. Furthermore, design formulas were proposed to estimate the ultimate moment and the flexural stiffness of the CFRTs, and the simplified theoretical model of the moment vs. curvature curves was also developed. The predicted results showed satisfactory agreement with the experimental and FE results. Finally, the differences of the experimental, FE and predicted results using the existing codes were illustrated.
This paper presents a combined numerical and theoretical study on the composite action between steel and concrete of circular steel tube confined concrete (STCC) stub columns under axial compressive loading with a full theoretical elasto-plastic model and finite element (FE) model in comparison with experimental results. Based on continuum mechanics, the elasto-plastic model for STCC stub columns was established and the analysis was realized by a FORTRAN program and the three dimensional FE model was developed using ABAQUS. The steel ratio of the circular STCC columns were defined in range of 0.5% to 2% to analyze the composite action between steel tube and concrete, and make a further study on the advantages of the circular STCC columns. By comparing the results using the elasto-plastic methods with the parametric analysis result of FE model, the appropriate friction coefficient between the steel tube and core concrete was defined as 0.4 to 0.6. Based on ultimate balance theory, the formula of ultimate load capacity applying to the circular STCC stub columns was developed.
A new-styrofoam-concrete composite sandwich slab with function of heat insulation is designed. Four full-scale simply supported composite sandwich slabs with different shear connectors are tested. Parameters under study are the thickness of the concrete, the height of profiled steel sheeting, the influence of shear connectors including the steel bars and self-drilling screws. Experimental results showing that four specimens mainly failed in bending failure mode; the shear connectors can limit the longitudinal slippery between the steel profiled sheeting and the concrete effectively and thus guarantee the good composite action and cooperative behavior of two materials. The ultimate sagging bending resistance can be determined based on plastic theory. This new composite sandwich slab has high sagging bending resistance and good ductility. Additionally, these test results help the design and application of this new type of composite sandwich slab.
Kim Kwang Soo;Jung Kwang Hoe;Shim ChungWook;Yoo Sung Won
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.05a
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pp.766-769
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2004
This paper presents 3D nonlinear analysis considering the slip of composite section as well as the static load tests of PSC-Steel hybrid girders. According to the slip modulus, the nonlinear analysis shows that the behavior of hybrid girders could be divided into three parts as full-composite, partial-composite and non-composite. However, the experimental results show that the PSC-Steel hybrid girders with shear connectors take the part of partial composite action in ultimate load stage. In addition, the load test results give that stud shear connectors and welded reinforcements have contributed to improve the ultimate strength of hybrid girders for about $20\%$.
Commonly in steel frames, steel beam and concrete slab are connected together by shear keys to work as a unit member which is called composite beam. When a composite beam is subjected to positive bending, flexural strength and stiffness of the beam can be increased due to "composite action". At the same time despite these advantages, composite action increases the strain at the beam bottom flange and it might affect beam plastic rotation capacity. This paper presents results of study on the rotation capacity of composite beam connected to Rectangular Hollow Section (RHS) column in the steel moment resisting frame buildings. Due to out-of-plane deformation of column flange, moment transfer efficiency of web connection is reduced and this results in reduction of beam plastic rotation capacity. In order to investigate the effects of width-to-thickness ratio (B/t) of RHS column on the rotation capacity of composite beam, cyclic loading tests were conducted on three full scale beam-to-column subassemblies. Detailed study on the different steel beam damages and concrete slab damages are presented. Experimental data showed the importance of this parameter of RHS column on the seismic behavior of composite beams. It is found that occurrence of severe concrete bearing crush at the face of RHS column of specimen with smaller width-to-thickness ratio resulted in considerable reduction on the rate of strain increase in the bottom flange. This behavior resulted in considerable improvement of rotation capacity of this specimen compared with composite and even bare steel beam connected to the RHS column with larger width-to-thickness ratio.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2000.10b
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pp.989-994
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2000
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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