The predominant type of buckling that I-steel concrete composite beams experience in the negative moment area is distortional buckling. The key factors that affect distortional buckling are the torsional and lateral restraints by the bottom flange. This study thoroughly investigates the equivalent lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange of an I-steel concrete composite beam under negative moments. The results show a coupling effect between the applied forces and the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange. A formula is proposed to calculate the critical buckling stress of the I-steel concrete composite beams under negative moments by considering the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange. The proposed method is shown to better predict the critical bending moment of the I-steel composite beams. This article introduces an improved method to calculate the elastic foundation beams, which takes into account the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange and considers the coupling effect between them. The results show a close match in results from the calculation method proposed in this paper and the ANSYS finite element method, which validates the proposed calculation method. The proposed calculation method provides a theoretical basis for further research on distortional buckling and the ultimate resistance of I-steel concrete composite beams under a variable axial force.
'Distortional buckling' is one of the predominant buckling types that may occur in a steel-concrete composite box beam (SCCBB) under a negative moment. The key factors, which affect the buckling modes, are the torsional and lateral restraints of the bottom plate of a SCCBB. Therefore, this article investigates the equivalent lateral and torsional restraint rigidity of the bottom plate of a SCCBB under a negative moment; the results of which show a linear coupling relationship between the applied forces and the lateral and/or torsional restraint stiffness, which are not depended on the cross-sectional properties of a SCCBB completely. The mathematical formulas for calculating the lateral and torsional restraint rigidity of the bottom plate can be used to estimate: (1) the critical distortional buckling stress of SCCBBs under a negative moment; and (2) the critical distortional moment of SCCBBs. This article develops an improved calculation method for SCCBBs on an elastic foundation, which takes into account the coupling effect between the applied forces and the lateral and/or torsional restraint rigidity of the bottom plate. This article analyzes the accuracy of the following calculation methods by using 24 examples of SCCBBs: (1) the conventional energy method; (2) the improved calculation method, as it has been derived in this article; and (3) the ANSYS finite element method. The results verify that the improved calculation method, as it has been proved in this article, is more accurate and reliable than that of the current energy method, which has been noted in the references.
A restraint coefficient for creep and dry shrinkage deformation of concrete in a composite section was derived to calculate the residual stress, and an equation for the loss rate of the pre-compression force was proposed. The derived restraint coefficient was computed by using the transformed section properties for the age-adjusted effective modulus of elasticity. The long-term behavior of complicate composite sections could be analyzed easily with the restraint coefficient. The articles of the current design code was examined for PSC and steel composite sections. The dry shrinkage strains of $150 ~ 200$\times$10^{-6}$ for the computations of the statically indeterminate force and the expansion joint could be under-estimated for less restrained sections such as the reinforced concrete. The dry shrinkage strain of $180$\times$10^{-6}$ for the computation of residual stress in the steel composite section was unreasonably less value. The loss rate of 16.3% of the design code for the PSC composite section in this study was conservative for the long-term deformation of the ACI 205 but could not be used safely for that of the Eurocode 2. For pre-compressed concrete slab in the steel composite section, the loss rate of prestressed force with low strength reinforcement was much larger than that with high strength tendon. The loss rate of concrete pre-compression increased, while that of pre-tension decreased due to the restraint of the steel girder.
Filling materials poured into precast member joint are subjected to restraint stress by the precast member and joint reinforcement. The induced stress will likely cause cracks at early ages and performance degradation of the entire structure. To prevent these issues and design reasonable joints, it is very important to analyze and evaluate the restrained shrinkage cracks of filling materials at various restraint conditions. In this study, a new time zero-that defines the shrinkage development time of a filling material-is proposed to calculate the accurate amount of shrinkage. The tensile stresses and strengths at different ages were compared through the ring test (AASHTO PP34) to evaluate the crack potential of the restrained filling materials at various restraint conditions. The mixture which contained an expansive additive and a shrinkage reducing agent exhibited high resistance to shrinkage cracking owing to the high-drying shrinkage compensation effect. The high-performance, fiber-reinforced cement composite, and ultra-high-performance, fiber-reinforced cement composite yielded very high resistance to shrinkage and cracking owing to the pull-out property of steel fibers. To this end, multiple nonlinear regression analyses were conducted based on the test results. Accordingly, a modified tensile stress equation that considered both the geometric shape of the specimen and the intrinsic properties of the material is proposed.
The inelastic lateral-distortional buckling of doubly-symmetric hot-rolled I-section beam-columns subjected to a concentric axial force and uniform bending with elastic restraint which produce single curvature is investigated in this paper. The numerical model adopted in this paper is an energy-based method which leads to the incremental and iterative solution of a fourth-order eigenproblem, with very rapid solutions being obtained. The elastic restraint considered in this paper is full restraint against translation, but torsional restraint is permitted at the tension flange. Hitherto, a numerical method to analyse the elastic and inelastic lateral-distortional buckling of restrained or unrestrained beam-columns is unavailable. The prediction of the inelastic lateral-distortional buckling load obtained in this study is compared with the inelastic lateral-distortional buckling of restrained beams and the inelastic lateral-torsional buckling solution, by suppressing the out-of-plane web distortion, is published elsewhere and they agree reasonable well. The method is then extended to the lateral-distortional buckling of continuously restrained doubly symmetric I-sections to illustrate the effect of web distortion.
Durif, Sebastien;Bouchair, Abdelhamid;Bacconnet, Claude
Steel and Composite Structures
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v.18
no.2
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pp.325-344
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2015
Experimental tests on cellular beams with sinusoidal openings showed two main failure modes around the openings. They concern the formation of four plastic hinges and the local instability of the sinusoidal part of the opening. In parallel, numerical analysis of the sinusoidal part of the opening revealed the existence of an elastic rotational restraint between the intermediate web-post and the adjacent opening panel. The aim of the present study is to present an approach to quantify this rotational restraint. Through the response surface method, a mathematical model is proposed. It shows a great ability to predict the rotational restraint value as a function of the geometrical parameters of the opening. This model can be used to perform an extensive study with various geometrical configurations of beams with the aim to develop a reliable and realistic analytical model predicting the resistance of the sinusoidal openings.
In this study, the theoretical dynamic characteristics of a thin-walled composite beam with a single-cell of chordwise asymmetric cross-section was studied. Mathematical modeling was done by considering the transverse shear effects, the warping restraint effects, the constant taper ratio in the longitudinal direction of the beam, and the geometrical cross-section ratio. The mass coefficients, stiffness coefficients, and Eigen frequencies of the selected section were investigated. In particular, the effects of the taper ratio and cross-section ratio of the model on the Eigen frequencies were analyzed and compared when the asymmetry of the section was considered and the warping function was not corrected.
This paper examines the fire performance of uninsulated and uncoated restrained steel-concrete composite beams supplemented with externally prestressed strands through advanced numerical simulation. In this work, a sequentially coupled thermo-mechanical analysis is carried out using ABAQUS. This analysis utilizes a highly nonlinear three-dimensional finite element (FE) model that is specifically developed and validated using full-sized specimens tested in a companion fire testing program. The developed FE model accounts for nonlinearities arising from geometric features and material properties, as well as complexities resulting from prestressing systems, fire conditions, and mechanical loadings. Four factors are of interest to this work including effect of restraints (axial vs. rotational), degree of stiffness of restraints, the configuration of external prestressed tendons, and magnitude of applied loading. The outcome of this analysis demonstrates how the prestressing force in the external tendons is primarily governed by the magnitude of applied loading and experienced temperature level. Interestingly, these results also show that the stiffness of axial restraints has a minor influence on the failure of restrained and prestressed steel-concrete composite beams. When the axial restraint ratio does not exceed 0.5, the critical deflection of the composite beam is lower than that of the composite beam with a restraint ratio of 1.0.
The constitutive relation is an important factor in analysis of confined concrete in composite structures. In order to propose a constitutive model for nonlinear analysis of confined concrete, lateral restraint mechanism of confined concrete is firstly analyze to study the generalities. As the foundation of the constitutive model, peak stress and peak strain is the first step in research. According to the generalities and the Twin Shear Unified Strength Theory, a novel unified equation for peak stress and peak strain are established. It is well coincident with experimental results. Based on the general constitutive relations and the unified equation for peak stress and peak strain, we propose a unified and convenient constitutive model for confined concrete with fewer material parameters. Two examples involved with steel tube confined concrete and hoop-confined concrete are considered. The proposed constitutive model coincides well with the experimental results. This constitutive model can also be extended for nonlinear analysis to other types of confined concrete.
Cross-beams of modern through truss bridges are connected to truss chord at its nodes and between them. It results in variable rotational end restraint for cross-beams, thus variable bending moment distribution. This feature is captured in three-dimensional modelling of through truss bridge structure. However, for preliminary design or rapid assessment of service load effects such technique of analysis may not be available. So an analytical method of assessment of rotational end restraint for cross-beam of through truss bridges was worked out. Two cases - nodal cross-beam and inter-nodal cross-beam - were analyzed. Flexural and torsional stiffness of truss members, flexural stiffness of deck members and axial stiffness of wind bracing members in the vicinity of the analyzed cross-beam were taken into account. The provision for reduced stiffness of the X-type wind bracing was made. Finally, general formula for assessment of rotational end restraint was given. Rotational end restraints for cross-beams of three railway through truss bridges were assessed basing on the analytical method and the finite element method (three-dimensional beam-element modelling). Results of both methods show good agreement. The analytical method is able to reflect effects of some structural irregularities. On the basis of the obtained results the general values of rotational end restraint for nodal and inter-nodal cross-beams of railway through truss bridges were suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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