This paper presents an experimental study and its findings of the behavior of circular and square stub columns filled with high strength concrete ($f_c^{\prime}$=49MPa) and polymer cement concrete (PCC) under concentric compressive load. Twenty-four specimens were tested to investigate the effects of variations in the tube shape (circular, square), wall thickness, and concrete type on the axial strength of stub columns. The characteristics of CFT stub columns filled with two types of concrete were investigated in order to collect the basic design data for using the PCC for the CFT columns. The experimental investigations included consideration of the effects of the concrete fill on the failure mode, ultimate strength, initial stiffness and deformation capacity. One of the key findings of this study was that circular section members filled with PCC retain their structural resistance without reduction far beyond the ultimate capacity. The results presented in this paper will provide experimental data to aid in the development of design procedures for the use of advanced concretes in CFT columns. Additionally, these results give structural designers invaluable insight into the realistic behavior of CFT columns.
Lee, Seong-Hui;Kim, Sun Hee;Kim, Young Ho;Choi, Sung Mo
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.21
no.5
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pp.515-526
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2009
There are three main production processes in the manufacture of concrete-filled square steel columns. The first process is known as the 'box-type process' or 'four-seam method,' wherein four beams are welded together at the seams. The second is the 'cold-forming process' or 'two-seam method,' wherein the seams of two channel beams are welded together. The third is the 'pressing process' or 'one-seam method,' wherein a circular column is pressed until it becomes a square column. In calculating the production cost for the making of a steel tube, it is very important to consider the welding process to be used and the desiredthickness of the steel tube, such as a square column that was developed under a new method, formed through the four-seam flare welding method at the center of the steel column width, following the L-shape formation. Certain tests were suggested in this study to evaluate the welding amount of concrete-filled square steel columns. With the parameters of the production method of a square steel column, the thickness of the steel square columns, and the welding amount, six specimens were produced. A structural test and finite-element analysis were conducted to assess the behavior of the steel column according to the water pressure inside the steel columns.
Ipek, Suleyman;Erdogan, Aysegul;Guneyisi, Esra Mete
Steel and Composite Structures
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v.44
no.1
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pp.119-139
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2022
This paper aims to use the artificial intelligence approach to develop a new model for predicting the ultimate axial strength of the circular concrete-filled steel tubular (CFST) stub columns. For this, the results of 314 experimentally tested circular CFST stub columns were employed in the generation of the design model. Since the influence of the column diameter, steel tube thickness, concrete compressive strength, steel tube yield strength, and column length on the ultimate axial strengths of columns were investigated in these experimental studies, here, in the development of the design model, these variables were taken into account as input parameters. The model was developed using the backpropagation algorithm named Bayesian Regularization. The accuracy, reliability, and consistency of the developed model were evaluated statistically, and also the design formulae given in the codes (EC4, ACI, AS, AIJ, and AISC) and the previous empirical formulations proposed by other researchers were used for the validation and comparison purposes. Based on this evaluation, it can be expressed that the developed design model has a strong and reliable prediction performance with a considerably high coefficient of determination (R-squared) value of 0.9994 and a low average percent error of 4.61. Besides, the sensitivity of the developed model was also monitored in terms of dimensional properties of columns and mechanical characteristics of materials. As a consequence, it can be stated that for the design of the ultimate axial capacity of the circular CFST stub columns, a novel artificial intelligence-based design model with a good and robust prediction performance was proposed herein.
The objective of this paper is to investigate the mechanical performances of polygonal concrete-filled circular steel tubular (CFT) stub columns under axial loading through combined experimental and numerical study. A total of 32 specimens were designed to investigate the effect of the concrete strength and steel ratio on the compressive behavior of polygonal CFT stub columns. The ultimate bearing capacity, ductility and confinement effect were analyzed based on the experimental results and the failure modes were discussed in detail. Besides, ABAQUS was adopted to establish the three dimensional FE model. The composite action between the core concrete and steel tube was further discussed and clarified. It was found that the behavior of CFT stub column changes with the change of the cross-section, and the change is continuous. Finally, based on both experimental and numerical results, a unified formula was developed to estimate the ultimate bearing capacity of polygonal CFT stub columns according to the superposition principle with rational simplification. The predicted results showed satisfactory agreement with both experimental and FE results.
Top-down construction is a construction technique in which pit excavation and structure construction are conducted simultaneously. Reducing construction time and minimizing noise and vibration which affect neighboring structures, the technique is widely employed in constructing downtown structures. While H-steel columns have been commonly used as core columns, concrete filled steel tube (CFT) columns are at the center of attention because the latter have less axial directionality and greater cross-sectional efficiency than the former. When compared with circular CFT columns, square CFT columns are more easily connected to the floor structure and the area of percussion rotary drilling (PRD) is smaller. For this reason, square CFT columns are used as core columns of concrete encased and filled square (CET) columns in underground floors. However, studies on the structural behavior and concrete stress transfer of CET columns have not been conducted. Since concrete is cast according to construction sequence, checking the stress of concrete inside the core columns and the stress of covering concrete is essential. This paper presents the results of structural tests and analyses conducted to evaluate the usability and safety of CET columns in top-down construction where CFT columns are used as core columns. Parameters in the tests are loading condition, concrete strength and covering depth. The compressive load capacity and failure behavior of specimens are evaluated. In addition, 2 cases of field application of CET columns in underground floors are analyzed.
The axial load on the concrete-filled steel tube (CFT) column produces confinement stress, which enhances strength of the core concrete. The amount of strength increase in concrete depends on the magnitude of produced confinement stress. From nonlinear analyses, the ultimate resisting capacity of the CFT columns subjected to axial loads was calculated. Nonlinear material properties such as Poisson's ratio and stress-strain relation were considered in the suggested model, and the maximum confining stress was obtained by multi axial yield criteria of the steel tube. This proposed model was verified by comparing the analytical results with experimental results. Then, regression analyses were conducted to predict the maximum confining stress according to D/t ratio and material properties without rigorous structural analysis. To ensure the validity of the suggested regression formula, various empirical formulas and Eurocode4 design code were compared.
A nonlinear finite element model (FEM) using ATENA-3D software to simulate the axially compressive behavior of circular steel tube confined concrete (CSTCC) columns infilled with ultra high performance concrete (UHPC) was presented in this paper. Some modifications to the material type "CC3DNonlinCementitious2User" of UHPC without and with the incorporation of steel fibers (UHPFRC) in compression and tension were adopted in FEM. The predictions of utimate strength and axial load versus axial strain curves obtained from FEM were in a good agreement with the test results of eighteen tested columns. Based on the results of FEM, the load distribution on the steel tube and the concrete core was derived for each modeled column. Furthermore, the effect of bonding between the steel tube and the concrete core was clarified by the change of friction coefficient in the material type "CC3DInterface" in FEM. The numerical results revealed that the increase in the friction coefficient leads to a greater contribution from the steel tube, a decrease in the ultimate load and an increase in the magnitude of the loss of load capacity. By comparing the results of FEM with experimental results, the appropriate friction coefficient between the steel tube and the concrete core was defined as 0.3 to 0.6. In addition to the numerical evaluation, eighteen analytical models for confined concrete in the literature were used to predict the peak confined strength to assess their suitability. To cope with CSTCC stub and intermediate columns, the equations for estimating the lateral confining stress and the equations for considering the slenderness in the selected models were proposed. It was found that all selected models except for EC2 (2004) gave a very good prediction. Among them, the model of Bing et al. (2001) was the best predictor.
The present study aims to determine the structural response of full scaled rectangular columns under both of vertical and lateral loads using numerical methods. In the study, the composite columns considering full concrete filled circular steel tube (FCFRST) and concrete filled double-skin rectangular steel tube (CFDSRST) section types are numerically modelled using ANSYS software. Vertical and lateral loads are applied to models to assess the structural response of the composite elements. Also similar investigations are done for reinforced concrete rectangular (RCR) columns to compare the results with those of composite elements. The analyses of the systems are statically performed for both linear and nonlinear materials. In linear static analyses, both of vertical and lateral loads are applied to models as only one step. However in nonlinear analyses, while vertical loads are applied to model as only one step, lateral loads are applied to systems as step by step. The displacement and stress changes in some critical nodes and sections and contour diagrams are reported by graphs and figures. At the end of the study, it is demonstrated that the nonlinear models reveal more accurate result then those of linear models. Also, it is highlighted that composite columns provide more and more safety, ductility compared to reinforced concrete column.
As confining materials for concrete, steel and fibre-reinforced polymer (FRP) composites have important applications in both the seismic retrofit of existing reinforced concrete columns and in the new construction of composite structures. We present a comprehensive review of the axial stress-strain behaviour of the FRP-confined concrete column. Next, the mechanical performance of the hybrid FRP-confined concrete-steel composite columns are comprehensively reviewed. Furthermore, the results of FRP-confined concrete column experiments and FRP-confined circular concrete-filled steel tube experiments are presented to study the interaction relationship between various material sections. Finally, the combinations of material sections are discussed. Based on these observations, recommendations regarding future research directions for composite columns are also outlined.
Zhang, Xianggang;Deng, Dapeng;Lin, Xinyan;Yang, Jianhui;Fu, Lei
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.6
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pp.627-635
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2019
In order to study the axial compression performance of sand-lightweight concrete-filled steel tube (SLCFST) stub columns, three circular SLCFST (C-SLCFST) stub column specimens and three SLCFST square (S-SLCFST) stub column specimens were fabricated and static monotonic axial compression performance testing was carried out, using the volume ratio between river sand and ceramic sand in sand-lightweight concrete (SLC) as a varying parameter. The stress process and failure mode of the specimens were observed, stress-strain curves were obtained and analysed for the specimens, and the ultimate bearing capacity of SLCFST stub column specimens was calculated based on unified strength theory, limit equilibrium theory and superposition theory. The results show that the outer steel tubes of SLCFST stub columns buckled outward, core SLC was crushed, and the damage to the upper parts of the S-SLCFST stub columns was more serious than for C-SLCFST stub columns. Three stages can be identified in the stress-strain curves of SLCFST stub columns: an elastic stage, an elastic-plastic stage and a plastic stage. It is suggested that AIJ-1997, CECS 159:2004 or AIJ-1997, based on superposition theory, can be used to design the ultimate bearing capacity under axial compression for C-SLCFST and S-SLCFST stub columns; for varying replacement ratios of natural river sand, the calculated stress-strain curves for SLCFST stub columns under axial compression show good fitting to the test measure curves.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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