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.
Eldin, Mohammad Mohie;Tarabia, Ahmed M.;Hasson, Rahma F.
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.6
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pp.783-792
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2017
Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) laminates are used widely either for repairing or strengthening of existing structures. When CFRP laminates are used for strengthening of RC continuous T-beams in the Hogging Moment Zone (HMZ); above and around the intermediate supports, it is important to study the expected positions of the laminates across the width of the beam flange. Although, it is traditional to consider CFRP laminates added above the beam web, this is not practical since walls and columns are located in such positions in general. This paper examines the effect of changing the positions of CFRP laminates used for the strengthening of the hogging moment zone across the beam flange of two-span-T-section beams. The Finite Element (FE) Package ANSYS is used to create 3-D theoretical models needed for the study. It can be concluded that changing the position of CFRP strengthening across the beam flange, in the hogging moment zone, is effective upon the overall behavior. The best locations are either above the web or at the flange just beside the web, due to the presence of walls and/or columns.
Shear lag effect can be an important phenomenon to consider in design of the steel-concrete composite beams. Researchers have found that the effect can be strongly related with the moment distribution, the stiffness and the ductility of the composite beams. For continuous composite beams expected to sustain hogging moment, the shear lag effect can be more distinct as cracking of the concrete slab reduces its shear stiffness. Despite its influences on behaviour of the steel-concrete composite beams, a method for calculating the shear lag effect in steel-concrete composite beams sustaining hogging moment is still not available. Shear lag effect in steel-concrete composite beams sustaining hogging moment is investigated in this paper. A method was proposed specifically for predicting the effect in the cracked part of the steel-concrete composite beam. The method is validated against available experimental data. At last, FE studies are conducted for steel-concrete composite beams with different design parameters, loading conditions and boundary conditions to further investigate the shear lag effect and compare with the proposed method.
An experimental and a non linear finite element investigation on the behavior of steel-concrete composite beams stiffened in hogging moment region with Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) sheets is presented in this paper. A total of five specimens were tested under two-point loads. Three of the composite beams included concrete slab while the other two beams had composite slabs. The stiffening was achieved by attaching CFRP sheets to the concrete surface at the position of negative bending moment. The suggested CFRP sheets arrangement enhanced the overall beam behavior and increased the composite beam capacity. Valuable parametric study was conducted using a three dimensional finite element model using ANSYS program. Both geometrical and material nonlinearity were included. The studied parameters included CFRP sheet arrangement, concrete strength and degree of shear connection.
Ultra high performance concrete (UHPC) can be used in the UHPC-steel composite structures especially for bridge structures to achieve high stiffness and high fatigue resistance with low self-weight. The structural performances of UHPC-steel composite slabs subjected to hogging moment have a significant influence on the global stiffness and durability of UHPC-steel composite structures. In order to study the structural behaviors of non-steam-cured UHPC-steel composite slabs subjected to negative moment, five composite slabs combined the thin UHPC layers to steel plates via shear stud connecters with the diameter of 16mm were fabricated and tested under negative moment. The test program aimed to investigate the effect of stud spacing and longitudinal reinforcement ratios on the failure mode, load-deflection behaviors, cracking patterns, bond-slips, and carrying capacities of composite slabs subjected to negative moment. In addition, direct tensile tests for the dog-bone UHPC specimens with longitudinal reinforcement bars were carried out to study the effect of reinforcement bars on the tensile strength of UHPC in the thin structure members. Based on the experimental results, analytical models were also developed to predict the cracking load and ultimate load of UHPC-steel composite slabs subjected to negative moment.
This paper presents results from experimental and numerical studies on the response of steel-concrete composite box bridge girders under certain localized fire exposure conditions. Two composite box bridge girders, a simply supported girder and a continuous girder respectively, were tested under simultaneous loading and fire exposure. The simply supported girder was exposed to fire over 40% of its span length in the middle zone, and the two-span continuous girder was exposed to fire over 38% of its length of the first span and full length of the second span. A measurement method based on comparative rate of deflection was provided to predict the failure time in the hogging moment zone of continuous composite box bridge girders under certain localized fire exposure condition. Parameters including transverse and longitudinal stiffeners and fire scenarios were introduced to investigate fire resistance of the composite box bridge girders. Test results show that failure of the simply supported girder is governed by the deflection limit state, whereas failure of the continuous girder occurs through bending buckling of the web and bottom slab in the hogging moment zone. Deflection based criterion may not be reliable in evaluating failure of continuous composite box bridge girder under certain fire exposure condition. The fire resistance (failure time) of the continuous girder is higher than that of the simply supported girder. Data from fire tests is successfully utilized to validate a finite element based numerical model for further investigating the response of composite box bridge girders exposed to localized fire. Results from numerical analysis show that fire resistance of composite box bridge girders can be highly influenced by the spacing of longitudinal stiffeners and fire severity. The continuous composite box bridge girder with closer longitudinal stiffeners has better fire resistance than the simply composite box bridge girder. It is concluded that the fire resistance of continuous composite box bridge girders can be significantly enhanced by preventing the hogging moment zone from exposure to fire. Longitudinal stiffeners with closer spacing can enhance fire resistance of composite box bridge girders. The increase of transverse stiffeners has no significant effect on fire resistance of composite box bridge girders.
This paper presented an integral design procedure for demountable bolted composite frames with semi-rigid joints. Moment-rotation relationships of beam-to-column joints were predicted with analytical models aiming to provide accurate and reliable analytical solutions. Among this, initial stiffness of beam-to-column joints was derived on the basis of Timoshenko's plate theory, and moment capacity was derived in accordance with Eurocodes. The predictions were validated with relevant test results prior to further applications. Frame analysis was conducted by using Abaqus software with material and geometrical nonlinearity considered. Variable lateral loads incorporating wind actions and earthquake actions in accordance with Australian Standards were adopted to evaluate the flexural behaviour of the composite frames. Strength and serviceability limit state criteria were utilized to verify configurations of designed models. A wide range of frames with the varied number of storeys and bays were thereafter programmed to ascertain bending moment envelopes under various load combinations. The analytical results suggest that the proposed approach is capable of predicting the moment-rotation performance of the semi-rigid joints reasonably well. Outcomes of the frame analysis indicate that the load combination with dead loads and live loads only leads to maximum sagging and hogging moment magnitudes in beams. As for lateral loads, wind actions are more crucial to dominate the design of the demountable composite frames than earthquake actions. No hogging moment reversal is expected in the composite beams given that the frames are designed properly. The proposed analysis procedure is demonstrated to be a simple and efficient method, which can be applied into engineering practice.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.8
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pp.4048-4057
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2013
In the composite beam subjected to the hogging moment it is very difficult to evaluate the influence of the reduction of slab stiffness due to cracks and their development on the horizontal shear behavior of shear connection. In this study, a 3D FE model is developed by which one can analyze the composite action in the composite beam subjected to the hogging moment. In this FE model, each structural member and shear connection are modeled as similar as possible to details of the composite beam. Bending behaviour, and composite action which could not be analyzed using the existing 1D or 2D FE model are investigated by the 3D model. Analysis results show that the reinforcement ratio and crack behaviour of the slab are main factors which exert a strong influence on the composite action. According to the analysis results about load-slip behavior, initial crack of slab and yielding of rebars have a influence on the slip stiffness of shear connection. The existing experimental results, that the design of partial interaction can be more efficient in designing of shear connection of the composite beams, are indirectly verified by the FE analysis.
The purpose of this study is to evaluate the structural safety at the topside weldment of hull structure, which was welded after launching. For it, the variations of residual stress and distortion at the topside weldment with loading conditions such as hull girder hogging bending moment after launching and free initial loading state was evaluated by using FEA. And the maximum stress range at the weldment under design loads specified by classification society was evaluated by FEA. In this case, the residual stress and welding distortion at the topside weldment was assumed to be initial imperfection. In accordance with FEA results, regardless of initial loading condition, tensile residual stress was found. However, the residual stress and welding distortion at the topside weldment produced under hogging condition was less than those of topside weldment under free loading state. That is, the amount of residual stress at the topside weldment decreased with an increase in the amount of tension load caused by hogging condition. It was because the compressive thermal strain at the topside weldment produced during welding was reduced by tensile load. However, the maximum stress range at the topside weldment under maximum hull girder bending moment was almost similar regardless of initial loading condition. So, if the problem related to the soundness of weldment is not introduced by initial load, the effect of initial loading condition during welding on fatigue strength of topside weldment could be negligible.
To avoid the cracks of cast-in-place concrete in shear pockets and seams in the traditional composite beam with precast decks, this paper proposed a new type of prefabricated steel truss-concrete composite beam (ab. PSTC beam) with pre-embedded shear studs (ab. PSS connector). To study the initial cracking load of concrete deck, the development and distribution laws of the cracks, 3 PSTC beams were tested under hogging moment. And the crack behavior of the deck was compared with traditional precast composite beam, which was assembled by shear pockets and cast-in-place joints. Results show that: (i) the initial crack appears on the deck, thus avoid the appearance of the cracks in the traditional shear pockets; (ii) the crack of the seam appears later than that of the deck, which verifies the reliability of epoxy cement mortar seam, thus solves the complex structure and easily crack behavior of the traditional cast-in-place joints; (iii) the development and the distribution laws of the cracks in PSTC beam are different from the conventional composite beam. Therefore, in the deduction of crack calculation theory, all the above factors should be considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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