This paper theoretically studies the cyclic behavior of hybrid connections between steel coupling beams and concrete shear walls with embedded steel columns. Finite element models of connections with long and short embedded steel columns are built in ABAQUS and validated against the test results in the companion paper. Parametric studies are carried out using the validated FE model to determine the key influencing factors on the load-bearing capacity of connections. A close-form solution of the load-bearing capacity of connections is proposed by considering the contributions from the compressive strength of concrete at the interface between the embedded beam and concrete, shear yielding of column web in the tensile region, and shear capacity of column web and concrete in joint zone. The results show that the bond slip between embedded steel members and concrete should be considered which can be simulated by defining contact boundary conditions. It is found that the loadbearing capacity of connections strongly depends on the section height, flange width and web thickness of the embedded column. The accuracy of the proposed calculation method is validated against test results and also verified against FE results (with differences within 10%). It is recommended that embedded steel columns should be placed along the entire height of shear walls to facilitate construction and enhance the ductility. The thickness and section height of embedded columns should be increased to enhance the load-bearing capacity of connections. The stirrups in the joint zone should be strengthened and embedded columns with very small section height should be avoided.
Zhu, Li;Wang, Jia J.;Zhao, Guan Y.;Huo, Xue J.;Li, Xuan
Steel and Composite Structures
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v.37
no.2
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pp.117-136
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2020
Curved steel-concrete composite box girder has been widely adopted in urban overpasses and ramp bridges. In order to investigate its mechanical behavior under complicated and combined bending, shear and torsion load, two large-curvature composite box girders with interior angles of 25° and 45° were tested under static hogging moment. Based on the strain and deflection measurement on critical cross-sections during the static loading test, the failure mode, cracking behavior, load-displacement relationship, and strain distribution in the steel plate and rebar were investigated in detail. The test result showed the large-curvature composite box girders exhibited notable shear lag in the concrete slab and steel girder. Also, the constraint torsion and distortion effect caused the stress measured at the inner side of the composite beam to be notably higher than that of the outer side. The strain distribution in the steel web was approximately linear; therefore, the assumption that the plane section remains plane was approximately validated based on strain measurement at steel web. Furthermore, the full-process non-linear elaborate finite element (FE) models of the two specimens were developed based on commercial FE software MSC.MARC. The modeling scheme and constitutive model were illustrated in detail. Based on the comparison between the FE model and test results, the FE model effectively simulated the failure mode, the load-displacement curve, and the strain development of longitudinal rebar and steel girder with sufficient accuracy. The comparison between the FE model and the test result validated the accuracy of the developed FE model.
This paper focuses on the study of seismic behavior of steel reinforced concrete special-shaped column-beam joints. Six specimens, which are designed according to the principle of strong-member and weak-joint core, are tested under low cyclic reversed load. Key parameters include the steel form in column section and the ratio of column limb height to thickness. The failure mode, load-displacement curves, ductility, stiffness degradations, energy dissipation capacity and shear deformation of joint core of the test subassemblies are analyzed. The results indicate that SRC special-shaped column-beam joints have good seismic behavior. All specimens failed due to the shear failure of the joint core, and the failure degree between the two sides of joint core is similar for the exterior joint but different for the corner joint. Compared to the joints with channel steel truss, the joints with solid web steel skeleton illustrate better ductility and energy dissipation capacity, but the loading capacity and stiffness are roughly close. With the increasing of the ratio of column limb height to thickness, the joints illustrate higher loading capacity and stiffness, better energy dissipation capacity, but worse ductility.
In this research, we tested 10 simply supported concrete-encased composite columns under monotonic eccentric loads and investigated their shear behaviour. The specimens tested were two reinforced concrete specimens, three steel-reinforced concrete (SRC) specimens with an H-shaped steel section (also called a beam section), and five SRC specimens with a cruciform-shaped steel section (also called a column section). The experimental variables included the transverse steel shape's depth and the longitudinal steel flange's width. Experimental observations indicated the following. (1) The ultimate load-carrying capacity was controlled by web compression failure, defined as a situation where the concrete within the diagonal strut's upper end was crushed. (2) The composite effect was strong before the crushing of the concrete outside the steel shape. (3) We adjusted the softened strut-and-tie SRC (SST-SRC) model to yield more accurate strength predictions than those obtained using the strength superposition method. (4) The MSST-SRC model can more reasonably predict shear strength at an initial concrete softening load point. The rationality of the MSST-SRC model was inferred by experimentally observing shear behaviour, including concrete crushing and the point of sharp variation in the shear strain.
This paper presents a stress field approach for the shear capacity of stirrup-reinforced concrete beams that explicitly incorporates the contribution of principal tensile stresses in concrete. This formulation represents an extension of the variable strut inclination method adopted in the Eurocode 2. In this model, the stress fields in web concrete consist of principal compressive stresses inclined at an angle θ combined with principal tensile stresses oriented along a direction orthogonal to the former (the latter being typically neglected in other formulations). Three different failure mechanisms are identified, from which the strut inclination angle and the corresponding shear strength are determined through equilibrium principles and the static theorem of limit analysis, similar to the EC-2 approach. It is demonstrated that incorporating the contribution of principal tensile stresses of concrete slightly increases the ultimate inclination angle of the compression struts as well as the shear capacity of reinforced concrete beams. The proposed stress field approach improves the prediction of the shear strength in comparison with the Eurocode 2 model, in terms of both accuracy (mean) and precision (CoV), as demonstrated by a broad comparison with more than 200 published experimental results from the literature.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.05a
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pp.421-426
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2003
For the replacement of deteriorated concrete decks or wider-span slab, composite slab could be very attactive due to higher stiffness and strength. Based on the previous research, a modified I-beam composite hollow slab was suggested. In order to investigate the static flexural behavior of the proposed composite slab and to suggest its flexural design method, experiments were performed. Judging from the tests, a composite slab with I-beam having a semi-circle hole showed better structural performance. The effect of web details on the flexural stiffness was negligible. Flexural stiffness, ultimate strength, and ductility of the composite slabs were significantly greater than the RC slab due to composite action. While the failure of the RC slab was punching shear failure, the composite hollow slab showed flexural cracking and failure by yielding of the I-beams and crushing of concrete. Therefore, the current one-way design concept is appropriate for the design of I-beam composite hollow slab.
A comprehensive analytic study has been conducted to investigate the instability problems of metal-plate-connected (MPC) joints in light frame trusses. The primary objective in this study is to determine the governing factors that constitute the buckling of the metal connectors and their effects on the structural response of joints. Another objective is to recommend design curves for the daily structural design of these joints. The numeric data presented in this paper has emerged from a broad base that was founded on over 350 advanced computer simulations, and was supported by available experimental results obtained by others. This basic-to-applied research includes practical engineering parameters such as size of gaps, shear lengths, gauge (plate thickness) of connectors, size of un-braced areas, failure modes, and progressive disintegration of joints. Square-end members have been emphasized though the results cover the custom-made fitted joints. The results indicate that chord shears cause and dominate the buckling of MPC joints, and the shear length has a more pronounced effect than the size of gaps. Further, large gauges and small un-braced areas improve the buckling response. Several practical recommendations have been suggested throughout the paper such as keeping the ratio of gap/shear length below 3/4 for improving the buckling strength. The study reveals that multi-area joints should not be simplified as single web-to-chord MPC joints such as keeping the ratio of gap/shear length below 3/4 for improving the buckling strength, even where one web is in tension and the other in compression. Finally, the results obtained from this study favorably agree with experimental data by others, and the classic buckling theories for other structural components.
Selected Papers of The Society of Naval Architects of Korea
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v.1
no.1
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pp.26-36
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1993
In this paper, a thoery for the static analysis of large plastic deformations of 3-dimentional frames, aiming at application to the collapse analysis of ship structures, is presented. In the frame analysis formulation, effects of shear deformations are included. A plastic hinge is inserted into the field of a beam and post-failure deformation of the plastic hinge is characterized by finite rotations and extensions. In order to model deep web frames of ship's structures into a framed structures, collapse of thin-walled plate girders is investigated. The proposed analysis method is applied to several ship structural models in the references.
Experimental studies on the behaviors of box-shape steel reinforced concrete (SRC) composite beams were conducted. Seven 1:3 scale model composite beams were tested to failure. Each of the beams was simply supported at the ends and two concentrated loads were applied at the one-third span and two-thirds span respectively. Experimental results indicate that the flexural strength can be enhanced when the ratio of flexural reinforcements and flange thickness of the shape steel are increased; the shear strength is enhanced with increase of web thickness of the shape steel. Insignificant effects of concrete in the box-shape steel are found on improving the flexural strength and shear strength of the box-shape SRC composite beams, thus concrete inside the box-shape steel can be saved, and the weight of the SRC beams can be decreased. Shear studs can strengthen the connection and co-work effects between the shape steel and the concrete and enhance the shear strength, but stud design for the composite beams should be further improved. Formulas for flexural and shear strength of the composite beams are proposed, and the calculated results are in good agreement with the experimental results. In general, the box-shape SRC composite beam is a kind of ductile member, and suitable for extensive engineering application.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.10
no.3
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pp.297-306
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2016
This paper developed an analytical software, called Simulation of Concrete Structures (SCS), which is used for numerical analysis of shear-critical prestressed steel fiber concrete structures. Based on the previous research at the University of Houston (UH), SCS has been derived from an object-oriented software framework called Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees). OpenSees was originally developed at the University of California, Berkeley. New module has been created for steel fiber concrete under prestress based on the constitutive relationships of this material developed at UH. This new material module has been integrated with the existing material modules in OpenSees. SCS thus developed has been used for predicting the behavior of the prestressed steel fiber concrete I-beams and Box-beams tested earlier in this research. The analysis could well predict the entire behavior of the beams including the elastic stiffness, yield point, post-yield stiffness, and maximum load for both web shear and flexure shear failure modes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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