Composite beam, which combined the material characteristic of the steel and concrete, has been widely used in the construction of various building and bridge system. For the effective application of the composite beam, the composite action on the composite interface between the concrete element and the steel element should be achieved by shear connectors. The behavioral characteristics of composite beam are related with the degree of interaction and the degree of shear connection according to the shear strength and shear stiffness of the stud shear connectors. These two concepts are also affected by the number of installed shear connector and the strength of composite materials. In this study, experimental and analytical evaluations of the degree of shear connection affected by stud diameter were conducted, and the relationship between structural behavior and the degree of shear connection was verified. The very small difference among the ultimate loads of the specimens depending on the change of the degree of connection was possibly because of the dependence of the ultimate load on the characteristic of plastic moment of the composite beam.
This paper proposes a model for analysing the non-linear behaviour of steel concrete composite beams prestressed by external slipping cables, taking into account the deformability of the interface shear connection. By assuming a suitable admissible displacement field for the composite beam, the balance condition is obtained by the virtual work principle. The solution is numerically achieved by approximating the unknown displacement functions as series of shape functions according to the Ritz method. The model is applied to real cases by showing the consequences of different connection levels between the concrete slab and the steel beam. Particular attention is focused on the limited ductility of the shear connection that may be the cause of premature failure of the composite girder.
The load-slip relationship of the shear connection is an important parameter in design and analysis of composite structures. In this paper, a load-slip curve prediction method of the shear connection based on the artificial neural networks (ANNs) is proposed. The factors which are significantly related to the structural and deformation performance of the connection are selected, and the shear stiffness of shear connections and the transverse coordinate slip value of the load-slip curve are taken as the input parameters of the network. Load values corresponding to the slip values are used as the output parameter. A twolayer hidden layer network with 15 nodes and 10 nodes is designed. The test data of two different forms of shear connections, the stud shear connection and the perforated shear connection with flange heads, are collected from the previous literatures, and the data of six specimens are selected as the two prediction data sets, while the data of other specimens are used to train the neural networks. Two trained networks are used to predict the load-slip curves of their corresponding prediction data sets, and the ratio method is used to study the proximity between the prediction loads and the test loads. Results show that the load-slip curves predicted by the networks agree well with the test curves.
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.
As the most popular shear connection in composite structures, mature concrete has been widely investigated by considering mechanical properties of stud connectors (SCs) embedded. To further enhance the fabrication efficiency of composite structures and solve the contradiction between construction progress and structural performance, it is required to analyze the shear performance of stud connections of composite structures with different concrete ages. 18 typical vertical push-out tests were carried out on stud shear connectors at concrete ages of 7 days, 14 days, and 28 days. Also, the effects of concrete age, stud spacing and stud diameter on the shear capacity, connection stiffness and failure mode of the connectors were studied. A new relationship expression of load-slip for SCs with various concrete ages was proposed. The existing design code for the SCs shear strength was evaluated according to the experimental data, and a more practical prediction equation for the shear capacity of SCs with different concrete ages was established. A great agreement was observed between the experimental and theoretical results, which can provide a reference for engineering practices.
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.
Although several types of rigid shear connectors have been developed particularly to increase load-carrying capacity, application is limited due to the complicated details of such connection. In this study, push-out tests were performed for specimens with hybrid shear connectors using headed studs and shear plates to identify the effects of each parameter on the structural performance of such shear connection. The test parameters included steel ratios of headed stud to shear plate, connection length, and embedded depth of shear plates. The peak strength and residual strength were estimated using various shear transfer mechanisms such as stud shear, concrete bearing, and shear friction. The hybrid shear connectors using shear plates and headed studs showed large load-carrying capacity and deformation capacity. The peak strength was predicted by the concrete bearing strength of the shear plates. The residual strength was sufficiently predicted by the stud shear strength of headed studs or by shear friction strength of dowel reinforcing bars. Further, the finite element analysis was performed to verify the shear transfer mechanism of the connection with hybrid shear connector.
A new composite tube connection method called the pre-tightened teeth connection technique is proposed to improve the composite tube connection efficiency. This paper first introduces the manufacturing process of the proposed technique. It then outlines how the mechanical properties of this technology were tested using four test groups. The factors that influence the load-bearing capacity and damage model of the connection were analyzed, and finally, the transfer load mechanism was investigated. The following conclusions can be obtained from the research results. (1) The new technique improves the compressive connection efficiency by a maximum of 79%, with the efficiency exceeding that of adhesive connections of the same thickness. (2) Changing the depth of teeth results in two types of damage: local compressive damage and shear damage. The bearing capacity can be improved by increasing the depth, length, and number of teeth as well as the pre-tightening force. (3) The capacity of the technique to transfer high loads is a result of both the relatively high interlaminar shear strength of the pultruded composite and the interlaminar shear strength increase provided by the pre-tightening force. The proposed technique shows favorable mechanical properties, and therefore, it can be extensively applied in the engineering field.
본 논문에서는 기존의 수평전단 설계식을 적용하여 프리캐스트 바닥판 PSC 합성거더 교량을 설계, 제작하였다. 피로하중에 대한 바닥판과 거더 그리고 전단연결부의 내구성과 거동특성을 평가하기 위하여 피로실험을 수행하였다. 실험결과 200만회 반복하중을 재하한 후 바닥판과 거더의 균열 및 잔류처짐은 발생하지 않았으며, 휨강성의 감소없이 선형거동을 나타냈다. 그리고 전단연결부의 손상은 나타나지 않았다. 또한 정적실험을 수행하여 연결부의 거동과 설계식의 적용성을 평가하고, 극한하중 상태에서의 구조적 성능과 정적강도 등을 평가하였다. 프리캐스트 바닥판 PSC 합성거더 교량은 사용하중상태에서 균열에 대해 2.08의 안전율을 나타냈으며, 파괴 시 충분한 극한내력과 연성거동을 나타냈다. 수평전단 설계식을 프리캐스트 바닥판 PSC 합성거더 교량의 수평전단 설계에 적용할 경우 사용성 및 구조적 안전성에 문제가 없는 경제적이고 신속한 형태의 교량을 시공할 수 있을 것으로 판단된다.
최근 건설재료의 효율적 활용과 단면구조의 최적화로써 기존 강합성 거더의 구조성능과 시공성을 향상시키고자 새로운 형상의 강합성 거더 및 거더와 바닥판의 전단합성을 위한 RC 전단연결체가 고안된 바 있다. 본 연구에서는 RC 전단연결체의 구조거동 및 전단강도를 평가하였다. 이를 위해 전단철근비를 변수로 하여 Push-out 실험을 실시하였고, 다양한 설계변수에 대한 유한요소해석을 수행하여 그 결과를 분석하였다. 실험 및 유한요소해석 결과에 의하면 RC 전단연결체의 전단강도를 기존 규준식으로 산정할 경우 매우 안전측으로 평가된다. 본 연구에서는 RC 전단연결체의 전단강도를 적절히 산정하기 위해 회귀분석적 방법으로 전단강도 평가식을 제안하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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