The paper combines two distinct parts. First the behavior of welded headed studs with small diameters of 10 and 13 mm acting as shear connectors (which are not embraced in current standards) is studied. Based on standard push tests the load-slip relationships and strengths are evaluated. While the current standard (Eurocode 4 and AISC) formulas used for such studs give reasonable but too conservative strengths, less conservative and full load-slip rigidities are evaluated and recommended for a subsequent investigation or design. In the second part of the paper the partially encased beams under bending are analyzed. Following former experiments showing rather indistinct role of studs used for shear connection in such beams their role is studied. Numerical model employing ANSYS software is presented and validated using former experimental data. Subsequent parametric studies investigate the longitudinal shear between steel and concrete parts of the beams with respect to friction at the steel and concrete interface and contribution of studs with small diameters required predominantly for assembly stages (concreting). Substantial influence of the friction and effect of concrete confinement was observed with rather less noticeable contribution of the studs. Distribution of the longitudinal shear and its sharing between friction and studs is presented with concluding remarks.
A new type of connection for steel-concrete composite bridges was developed by the Steel Structures Laboratory of Ecole Poytechinque $F{\acute{e}}d{\acute{e}}rale$ de Lausanne. Resistance to longitudinal shear is based on the development of shear stresses in the confined interfaces which form the connection. Confinement is provided by the reinforced concrete slab which encloses the connection and restrains the uplift (lateral separation) of the interfaces by developing normal stresses. The experimental investigation of the interfaces, under static and cyclic loading, enabled the development of the laws describing the structural behaviour of each interface. Those laws were presented by the authors in previous papers. The current paper focuses on the continuity of the research. It presents the experimental investigation on the new connection by means of push-out tests on specimens submitted to static and cyclic shear loading. Investigation revealed that the damage in the connection, due to cyclic loading, is expressed by the accumulation of a residual slip. A safe fatigue failure criterion is proposed for the connection which enabled the verification of the connection for the fatigue limit state with respect to the limit of fatigue. A numerical model is developed which takes into account the laws describing the interface behaviour and the analytical expressions for the confinement effect, the latter obtained by performing finite element analysis. This numerical model predicts the shear resistance of the connection and enables to assess its fatigue limit which is necessary for the fatigue design proposed.
In composite structures, shear connectors are crucial components to resist the relative slip between the steel and concrete, and thereby to achieve the composite actions. In the service stage, composite structures are usually in elastic state, so the elastic stiffness of the shear connection is a quite important parameter in the structural analysis of composite structures. Nevertheless, the existing studies mainly focus on the load-slip relationship rather than the tangent stiffness at the initial elastic stage. Furthermore, when composite beams subjected to torque or local load, shear connections are affected by both tensile force and shear force. However, the stiffness of shear connections under combined effects appears not to have been discussed hitherto. This paper investigates the initial elastic stiffness of stud connections under combined effects of biaxial forces. The initial expression and the relevant parameters are obtained by establishing a simplified analytical model of the stud connection. Afterwards, parametric finite element analysis is performed to investigate the effects of the relevant factors, including the stud length, stud diameter, elastic modulus of concrete, elastic modulus of steel and volume ratio of reinforcement. The feasibility of the proposed modelling has been proved by comparing with sufficient experimental tests. Based on the analytical analysis and the extensive numerical simulations, design equations for predicting the initial elastic stiffness of stud connections are proposed. The comparison between the equations and the data of finite element models demonstrates that the equations are accurate enough to serve for engineering communities.
Concrete track on railway bridges should be designed to effectively respond to the movement of the superstructure of the bridge. In the design procedure, shear keys are generally placed on the protection concrete layer (PCL) before casting the concrete track so the shear force due to slip between the concrete track and the bridge super-structure can be transferred. In this paper, a nonlinear structural analysis procedure that considers the construction joint has been developed to predict the shear behavior of a shear key. With the developed analysis procedure, it was possible to predict the shear force-shear slip response at the construction joint in a shear key by considering the friction of concrete surface and the dowel action of the rebars. The analysis results showed good agreement with the test results for 4 specimens.
When an earth pressure balance (EPB) shield machine bores a tunnel in gravelly sand stratum, the excavated natural soil is normally transformed using foam and water to reduce cutter wear and the risk of direct muck squeezing out of the screw conveyor (i.e., muck spewing). Understanding the undrained shear behavior of conditioned soils under pressure is a potential perspective for optimizing the earth pressure balance shield tunnelling strategies. Owing to the unconventional properties of conditioned soil, a pressurized vane shear apparatus was utilized to investigate the undrained shear behavior of foam-conditioned gravelly sands under normal pressure. The results showed that the shear stress-displacement curves exhibited strain-softening behavior only when the initial void ratio (e0) of the foam-conditioned sand was less than the maximum void ratio (emax) of the unconditioned sand. The peak and residual strength increased with an increase in normal pressure and a decrease in foam injection ratio. A unique relation between the void ratio and the shear strength in the residual stage was observed in the e-ln(τ) space. When e0 was greater than emax, the fluid-like specimens had quite low strengths. Besides, the stick-slip behavior, characterized by the variation coefficient of measured shear stress in the residual stage, was more evident under lower pressure but it appeared to be independent of the foam injection. A comparison between the results of pressurized vane shear tests and those of slump tests indicated that the slump test has its limitations to characterize the chamber muck fluidity and build the optimal conditioning parameters.
Stainless steel-concrete composite beam has become an attractive structural form for offshore bridges and iconic high-rise buildings, owing to the superior corrosion resistance and excellent ductility of stainless steel material. In a composite beam, stainless steel shear connectors play an important role by establishing the interconnection between stainless steel beam and concrete slab. To enable the best use of high strength stainless steel shear connectors in composite beams, high strength concrete is recommended. To date, the application of stainless steel shear connectors in composite beams is still very limited due to the lack of research and proper design recommendations. In this paper, a total of seven pushout specimens were tested to investigate the load-slip behaviour of stainless steel shear connectors. A thorough discussion has been made on the differences between stainless steel bolted connectors and welded studs, in terms of the failure modes, load-slip behaviour and ultimate shear resistance. In parallel with the experimental programme, a finite element model was developed in ABAQUS to simulate the behaviour of stainless steel shear connectors, with which the effects of shear connector strength, concrete strength and embedded connector height to diameter ratio (h/d) were evaluated. The obtained experimental and numerical results were analysed and compared with existing codes of practice, including AS/NZS 2327, EN 1994-1-1 and ANSI/AISC 360-16. The comparison results indicated that the current codes need to be improved for the design of high strength stainless steel shear connectors. On this basis, modified design approaches were proposed to predict the shear capacity of stainless steel bolted connectors and welded studs in the composite beams.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.6
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pp.2267-2275
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2013
Existing conventional model for analysis of shallow water flow just assumed the internal boundary condition as free-slip, which resulted in the wrong prediction about the velocity, vorticity, water level, shear stress distribution, and time variation of drag and lift force around a structure. In this study, a finite element model that can predict flow characteristics around the structure accurately was developed and internal boundary conditions were generalized as partial slip condition using slip length concept. Laminar flow characteristics behind circular cylinder were analyzed by varying the internal boundary conditions. The simulation results of (1) time variations of longitudinal and transverse velocities, and vorticity; (2) wake length; (3) vortex shedding phenomena by slip length; (4) and mass conservation showed that the vortex shedding had never observed and laminar flow like creeping motion was occurred under free-slip condition. Assignment of partial slip condition changed the velocity distribution on the cylinder surface and influenced the magnitude of the shear stress and the occurrence of vorticity so that the period of vortex shedding was reduced compared with the case of no slip condition. The maximum mass conservation error occurred in the case of no slip condition, which had the value of 0.73%, and there was 0.21 % reduction in the maximum mass conservation error by changing the internal boundary condition from no slip to partial slip condition.
In order to assess the fault behavior by the geometric analysis of fault slip, the study area between Yangsan city and Shinkwang-myon, Pohang city along the strike of the Yangsan fault is divided into 5 domains($A{\sim}E$ domains) based on the strike change of main fault, the type of fault termination, the cyclic variation of fault zone width, deformation pattern of fault rocks and angular deviation of secondary shears. And, we would apply the relationship between the mode of fault sliding and the resultant deformation texture obtained from previous several experimental studies of simulated fault gouge to the study of the Yangsan fault. To understand sliding behavior of the fault we measured the data of fault attitude and fault slip, and analyzed relationships between the main fault and secondary Riedel shear along the Yangsan fault. The sliding behavioral patterns in each section were analyzed as followings; the straight sections of A, D and E domains were analyzed as the creeping section of stably sliding. In contrast, the curved section of B domain was analyzed as the locked section of stick-slip movement.
In the displacement based finite element analysis of composite beams that consist of two Euler-Bernoulli beams juxtaposed with a deformable shear connection, the coupling of the displacement fields may cause oscillations in the interlayer slip field and reduction in optimal convergence rate, known as slip-locking. In this study, the B-bar procedure is proposed to alleviate the locking effects. It is also shown that by changing the primary dependent variables in the mathematical model, to be able to interpolate the interlayer slip field directly, oscillations in the slip field can be completely eliminated. Examples are presented to illustrate the performance and the numerical characteristics of the proposed methods.
To develope good slip and microstructure of Si3N4 the knowledge of the interaction of particles in liquid systems is required. In this work polyethyleneimines was tested as a stabilizer for Si3N4-water system. The stability of slip dispersed with polyethyleneimines was good over a wide range of pH and concentrated slips with low viscosity could be cast. This work comprises a systematic investigation including determination of electrical mobility in order to estimate the particle surface charge, determination of sedimentation rate, as well as measurements of the viscosity as a function of dispersants, pH and shear rates. The influence of deflocculation on the microstructure of slip cast Si3N4 was discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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