This paper aims to analytically investigate the effect of shear stress at the concrete-steel interface on the mechanical behavior of the circular steel tube-confined concrete (STCC) stub columns with active and passive confinement subjected to axial compression. Nonlinear 3D finite element models divided into the four groups, i.e. circumferential-grooved, talc-coated, lubricated, and normal groups, with active and passive confinement were developed. An innovative method was used to simulate the actively-confined specimens, and then, the results of the finite element models were compared with those of the experiments previously conducted by the authors. It was revealed that both the predicted peak compressive strength and stress-strain curves have good agreement with the corresponding values measured for the confined columns. Then, the mechanical properties of the active and passive specimens such as the concrete-steel interaction, longitudinal and hoop stresses of the steel tube, confining pressure applied to the concrete core, and compressive stress-strain curves were analyzed. Furthermore, a parametric study was performed to explore the effects of the concrete compressive strength, steel tube diameter-to-wall thickness ratio, and prestressing level on the compressive behavior of the STCC columns. The results indicate that reducing or removing the interfacial shear stress in the active and passive specimens leads to an increase in the hoop stress and confining pressure, while the longitudinal stress along the steel tube height experiences a decrease. Moreover, prestressing via the presented method is capable of improving the compressive behavior of STCC columns.
Naghipour, Morteza;Niak, Kia Moghaddas;Shariati, Mahdi;Toghroli, Ali
Steel and Composite Structures
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v.35
no.2
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pp.279-294
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2020
Foundation of a building is damaged under service loads during construction. First visit shows that the foundation has been punched at the 6 column's foot region led to building rotation. Foundation shear punching occurring has made some stresses and deflections in construction. In this study, progressing of damage caused by foundation shear punching and inverse loading in order to resolve the building rotation has been evaluated in the foundation and frame of building by finite element modeling in ABAQUS software. The stress values of bars in punched regions of foundation has been deeply exceeded from steel yielding strength and experienced large displacement based on software's results. On the other hand, the values of created stresses in the frame are not too big to make serious damage. In the beams and columns of ground floor, some partial cracks has been occurred and in other floors, the values of stresses are in the elastic zone of materials. Finally, by inverse loading to the frame, the horizontal displacement of floors has been resolved and the values of stresses in frame has been significantly reduced.
This paper proposes a one-dimensional fiber beam element model taking account of materially non-linear behavior, benefiting the highly efficient elastic-plastic analysis of girders with shear-lag effects. Based on the displacement-based fiber beam-column element, two additional degrees of freedom (DOFs) are added into the proposed model to consider the shear-lag warping deformations of the slabs. The new finite element (FE) formulations of the tangent stiffness matrix and resisting force vector are deduced with the variational principle of the minimum potential energy. Then the proposed element is implemented in the OpenSees computational framework as a newly developed element, and the full Newton iteration method is adopted for an iterative solution. The typical materially non-linear behaviors, including the cracking and crushing of concrete, as well as the plasticity of the reinforcement and steel girder, are all considered in the model. The proposed model is applied to several test cases under elastic or plastic loading states and compared with the solutions of theoretical models, tests, and shell/solid refined FE models. The results of these comparisons indicate the accuracy and applicability of the proposed model for the analysis of both concrete box girders and steel-concrete composite girders, under either elastic or plastic states.
An external prestressed steel-bar truss unit was developed as a new strengthening technology to enhance the seismic performance of an in-plane masonry wall structure while taking advantage of the benefits of a prestressed system. The presented method consists of six steel bars: two prestressed vertical bars to introduce a prestressing force on the masonry wall, two diagonal bars to resist shear deformation, and two horizontal bars to maintain the configuration. To evaluate the effects of this new technique, four full-scale specimens, including a control specimen, were tested under combined loadings that included constant-gravity axial loads and cyclic lateral loads. The experimental results were analyzed in terms of the shear strength, initial stiffness, dissipated energy, and strain history. The efficiency of the external prestressed steel-bar truss unit was validated. In particular, a retrofitted specimen with an axial load level of 0.024 exhibited a more stable post behavior and higher energy dissipation than a control specimen with an observed complete sliding failure. The four vertical bars of the adjacent retrofitting units created a virtual column, and their strain values did not change until they reached the peak shear strength. The shear capacity of the masonry wall structure with external prestressed steel-bar truss units could be predicted using the model suggested by Yang et al.
Sangwook Park;Patricia Clayton;Todd A. Helwig;Michael D. Engelhardt;Eric B. Williamson
Steel and Composite Structures
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v.51
no.5
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pp.563-573
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2024
This research experimentally evaluated the local stress distribution along the cross-section of composite beams under both positive and negative moments. The experiment utilized a large-scale, two-story, two-by-three bay steel gravity frame with a concrete on metal deck floor system. The composite shear connections, which are nominally assumed to be pinned under gravity loading, can develop non-negligible moment-resisting capacity when subjected to lateral loads. This paper discusses the local stress distribution, orshear lag effects, observed near the beam-to-column connections when subjected to combined gravity and lateral loading. Strain gauges were used for measurements along the beam depth at varying distances from the connection. The experimental data showed amplified shear lag effects near the unconnected region of the beam web and bottom flange under the applied loading conditions. These results indicate that strain does not vary linearly across the beam cross-section adjacent to the connection components. This insight has implications for the use of experimental strain gauge data in estimating beam demands near the connections. These findings can be beneficial in informing instrumentation plans for future experimental studies on composite beams.
Current design equations for shear strength of reinforced concrete columns generally overestimate the shear strength contribution by the circular transverse reinforcement. This is due to the simplification of the discrete distribution of the reinforcement to the continuous one and the imprudent application of the classical truss model to the circular section, which is different in shear-resisting mechanism from the rectangular section. This study presents a rational model for the prediction of shear strength contribution by the circular transverse reinforcement considering the starting location of a diagonal crack, the number of transverse reinforcing bars crossing the main crack and the geometrical strength component of the transverse resistance. It was found that, for lower amount transverse reinforcement, the crack starting point and the number of crack crossing bars greatly influence the shear-resisting capacity. Proposed model leads to a reliable design equation which is derived using a linear regression method and is in good agreement with the lower bound of exact strength curve.
The double split tee connection, a type of beam-to-column moment connection, exhibits different behavioral characteristics according to changes in the thickness of the T-stub flange, the gauge distance of the high-strength bolt, and the number and diameter of high-strength bolts. In general, the double split tee connection is idealized and designed so that a T-stub fastened to the top and bottom supports a flexural moment, and a shear tab supports a shear force. However, if the double split tee connection is applied to low-and medium-rise steel structures, the size of the beam member becomes small, and thus the shear tab cannot be bolted to the web of a beam. In this regard, this study was conducted to propose connection details to ensure that the double split tee connection with a geometric shape can display sufficient shear resisting capacity. To this end, experiments were conducted using full-scale specimens for the double split tee connection.
Concrete filled steel tube(CFT), which has superior ductility and strength, is used for building column, bridge piers of ocean structure. Shear design equations of CFT existing in structural design provisions are excessively conservative. It has an effect on constructability and the economics of CFT. However, to suggest the reasonable shear design equation, experimental studies on the shear capacity of CFT have been rarely conducted. This study is analytical research to suggest improved shear design equations of large-diameter concrete-filled steel tubes. This analytical research was conducted to apply finite element analysis model of CFT based on the prior research. It was verified by comparison with prior test results. The verified model was used for parameter studies to estimate the influence of overhang length, concrete compressive strength and diameter-thickness ratio on shear strength.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.3C
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pp.105-113
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2009
Pressuremeter test estimates deformational properties of soil from the relationship between applied pressure and the displacement of cavity wall, and the results reflect the in-situ stress condition and the structure of soil particles. This study suggests the overall process of test and analysis for the evaluation of nonlinear degradation characteristics of shear moduli, based on the reloading curve of pressuremeter test. The method estimates the maximum shear modulus, taking into account the difference between the stress states around the probe in reloading and that of the in-situ state, and then combines the degradation characteristics of shear moduli taken from reloading curve. This procedure derives the shear moduli in overall strain range. Pressuremeter tests were carried out in various ground conditions using large calibration chamber, together with various reference tests. Shear moduli taken from pressuremeter tests were compared with bender element test and resonant column test results.
Favvata, Maria J.;Karayannis, Chris G.;Liolios, Asterios A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.33
no.2
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pp.113-136
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2009
The seismic induced interaction between multistory structures with unequal story heights (inter-story pounding) is studied taking into account the local response of the exterior beam-column joints. Although several parameters that influence the structural pounding have been studied sofar, the role of the joints local inelastic behaviour has not been yet investigated in the literature as key parameter for the pounding problem. Moreover, the influence of the infill panels as an additional parameter for the local damage effect of the joints on the inter-story pounding phenomenon is examined. Thirty six interaction cases between a multistory frame structure and an adjacent shorter and stiffer structure are studied for two different seismic excitations. The results are focused: (a) on the local response of the critical external column of the multistory structure that suffers the hit from the slab of the adjacent shorter structure, and (b) on the local response of the exterior beam-column joints of the multistory structure. Results of this investigation demonstrate that the possible local inelastic response of the exterior joints may be in some cases beneficial for the seismic behaviour of the critical column that suffers the impact. However, in all the examined cases the developing demands for deformation of the exterior joints are substantially increased and severe damages can be observed due to the pounding effect. The presence of the masonry infill panels has also been proved as an important parameter for the response of the exterior beam-column joints and thus for the safety of the building. Nevertheless, in all the examined inter-story pounding cases the presence of the infills was not enough for the total amelioration of the excessive demands for shear and ductility of the column that suffers the impact.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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