• Steel and Composite Structures
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• 제47권6호
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• pp.781-794
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• 2023

In order to directly apply seawater and sea sand in construction without desalination, a type of square concrete-filled steel tube (CFST) encased with prefabricated seawater sea-sand concrete filled Polyvinyl Chloride (PVC)/Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) tube column was proposed. Twenty short columns were tested under uniaxial loads, and the test parameters included inner tube types, seawater sea-sand concrete replacement ratios, concrete strength, the wrapping area of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) strips and the thickness of GFRP tube. The effects of the parameters on failure modes, loading capacity, ductility and strain responses were discussed. All the tested specimens failed with serious buckling of the steel tubes and fracture of the inner tubes. The specimens had good residual bearing capacity corresponding to 64% to 88.9% of the peak capacity. The inner GFRP tubes and PVC tubes wrapped by CFRP strips provided stronger confinement to the core concrete, and were good choices for the proposed columns. Moreover, an analytical model for the composite column with different inner tube types was proposed.

• Steel and Composite Structures
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• 제19권5호
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• pp.1299-1319
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• 2015

This paper presents a detailed parametric study, conducted using finite element tools to cover a range of several geometric and material parameters, on the behaviour of thin-walled partially encased composite (PEC) columns. The PEC columns studied herein are composed of thin-walled built-up H-shaped steel sections with concrete infill cast between the flanges. Transverse links are provided between the opposing flanges to improve resistance to local buckling. The parametric study is confined to eccentrically-loaded columns subjected to major axis bending only. The parameters that were varied include the overall column slenderness ratio (L/d), load eccentricity ratio (e/d), link spacing-to-depth ratio (s/d), flange plate slenderness ratio (b/t) and concrete compressive strength ($f_{cu}$). The overall column slenderness ratio was chosen to be the primary variable with values of 5, 10 and 15. Other parameters were varied within each case of L/d ratio. The effects of the selected parameters on the behaviour of PEC columns were studied with respect to the failure mode, peak axial load, axial load versus average axial strain response, axial load versus lateral displacement response, moment versus lateral displacement behaviour and the axial load-moment interaction diagram. The results of the parametric study are presented in the paper and the influences of each of the parameters investigated are discussed.

• 콘크리트학회논문집
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• 제17권3호
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• pp.393-400
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• 2005

강재 매입형 합성기둥 구조는 주로 건물구조와 교량의 교각구조에 적용되어 왔고, 최근에는 교량의 교각구조에 적용하는 예가 늘어나고 있는 실정이다. 교각은 건물의 기둥에 비해 상당히 큰 규모의 구조물이기 때문에 강재비를 적절한 수준으로 유도하면서 의도하는 성능을 만족하는 단면을 설계해야 한다. 그러나 합성구조의 기본원리가 구조물을 구성하는 구조재료의 일체화된 거동에 근거함으론 강재 매입형 합성기둥 구조의 적용에 앞서, 먼저 콘크리트와 강재 단면의 합성 작용에 대한 명확한 정의가 필요하다. 일반적으로 강재 매입형 합성구조는 부착과 마찰에 의해서 합성작용을 확보한다고 가정하고 설계하는데, 콘크리트 단면 강재 단면 그리고 합성 단면으로 각각 다를 경우, 거동의 차이를 가져올 수 있기 때문에 적절한 합성작용을 위한 규정이 요구된다. 이 논문에서는 횡방향 철근에 의한 콘크리트의 구속 효과, H형 강재 복부의 천공에 의한 기계적 맞물림 그리고 전단 연결재에 의한 영향을 고려하여 실험을 수행하였다. 실험을 통해 계산된 값보다 큰 부착 강도를 얻을 수 있었다. 구속효과, 기계적 맞물림 그리고 전단 연결재를 통해 전단 강도의 증가를 유도할 수 있었고, 이는 강재 매입형 합성 기둥에서 합성 작용을 확보하는데 효과적으로 이용될 수 있다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제22권5호
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• pp.497-509
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• 2010

고강도강재 및 고강도콘크리트를 적용한 매입형 합성기둥의 편심압축시 거동특성을 연구하기 위하여, 항복강도 $f_{ys}$=913MPa 강재와 압축강도 $f_{ck}$97.7MPa 콘크리트를 사용하여 실험연구를 실시하였다. 주요변수는 횡철근의 종류, 항복강도, 배근간격, 그리고 편심하중거리이다. 거동특성을 분석하기 위하여 구속효과와 변형률적합조건을 적용한 비선형 단면해석을 실시하였으며, 현행 설계기준들의 적용성을 판단하기 위해 실험결과와 비교하였다. 횡구속효과에 의하여 콘크리트의 연성능력은 증가하였으며, 이에 따라 단면의 휨모멘트강도가 증가하였다. 비선형해석을 통해 합성단면의 축력-모멘트 상관관계를 예측한 결과는 실험결과와 잘 일치한 반면, 강재의 완전소성강도를 사용하는 Eurocode 4는 실험체의 성능을 과대평가하였으며, 콘크리트의 횡구속효과를 고려하지 않은 ACI 318은 과소평가하였다.

• Steel and Composite Structures
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• 제38권2호
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• pp.121-139
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• 2021

Ultra-high strength concrete (UHSC) encased steel columns are receiving growing interest in high-rise buildings owing to their economic and architectural advantages. However, UHSC encased steel columns are not covered by the modern fire safety design code. A total of 14 fire tests are conducted on UHSC (120 MPa) encased steel columns under constant axial loads and exposed to ISO-834 standard fire. The effect of load ratio, slenderness, stirrup spacing, cross-section size and concrete cover to core steel on the fire resistance and failure mode of the specimens are investigated. The applicability of the tabulated method in EC4 (EN 1994-1-2-2005) and regression formula in Chinese code (DBJ/T 15-81-2011) to fire resistance of UHSC encased steel columns are checked. Generally, the test results reveal that the vertical displacement-heating time curves can be divided into two phases, i.e. thermal expansion and shortening to failure. It is found that the fire resistance of column specimens increases with the increase of the cross-section size and concrete cover to core steel, but decreases with the increase of the load ratio and slenderness. The EC4 method overestimates the fire resistance up to 186% (220 min), while the Chinese code underestimates it down to 49%. The Chinese code has a better agreement than EC4 with the test results since the former considers the effect of the load ratio, slenderness, cross section size directly in its empirical formula. To estimate the fire resistance precisely can improve the economy of structural fire design of ultra-high strength concrete encased steel columns.

• Steel and Composite Structures
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• 제33권6호
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• pp.849-864
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• 2019

One way to achieve sustainable construction is to reduce concrete consumption by use of more sustainable and higher strength concrete. Modern building codes do not cover the use of ultra-high strength concrete (UHSC) in the design of composite structures. Against such background, this paper investigates experimentally the mechanical properties of steel fibre-reinforced UHSC and then the structural behaviors of UHSC encased steel (CES) members under both concentric and eccentric compressions as well as pure bending. The effects of steel-fibre dosage and spacing of stirrups were studied, and the applicability of Eurocode 4 design approach was checked. The test results revealed that the strength of steel stirrups could not be fully utilized to provide confinement to the UHSC. The bond strength between UHSC and steel section was improved by adding the steel fibres into the UHSC. Reducing the spacing of stirrups or increasing the dosage of steel fibres was beneficial to prevent premature spalling of the concrete cover thus mobilize the steel section strength to achieve higher compressive capacity. Closer spacing of stirrups and adding 0.5% steel fibres in UHSC enhanced the post-peak ductility of CES columns. It is concluded that the code-specified reduction factors applied to the concrete strength and moment resistance can account for the loss of load capacity due to the premature spalling of concrete cover and partial yielding of the encased steel section.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제26권5호
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• pp.473-483
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• 2014

건축구조기준에 따라 HSA800 강재의 합성기둥 적용시에는 실험 또는 해석적 방법을 통하여 적용의 타당성을 검증해야 한다. 이에 본 연구에서는 합성기둥으로 주로 사용되는 H형강 매입형, 각형강관 및 원형강관 충전형 합성기둥 단면을 대상으로 HSA800 강재를 적용한 단주압축실험을 실시하고, 이를 통하여 축방향 내력 및 건축구조기준의 합성기둥 설계압축강도 설계식 적용의 타당성을 평가하였다. 실험결과 매입형 합성기둥의 경우 HSA800 강재의 설계기준항복강도를 저감없이 사용하기 위해서는 건축구조기준의 설계압축강도 산정식의 조정이 필요한 것으로 나타났으며, 이를 위해 띠철근 간격 조정 및 콘크리트의 유효단면적 사용을 제안하였다. 충전형 합성기둥의 경우에는 각형, 원형충전강관 기둥 모두 별도의 강도 저감이나 설계압축강도 산정식의 조정 없이 사용이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제27권1호
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• pp.43-52
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• 2015

구조물의 기둥은 층에 따라 받는 내력이 상이함에도 시공의 오차를 줄이고 구조설계의 편의를 위해 상부층부터 하부층의 기둥단면은 동일하게 설계되고 있다. 그럼에도 불가피하게 상하부의 기둥의 단면이 상이하는 경우가 발생된다. 예를들어 초고층 구조물 또는 증축 및 보수에 의해 기둥을 보강할 경우이다. 이렇듯. 선 기둥과 후 피복이 되는 기둥을 피복충전형 콘크리트 충전기둥이라 할 때, 가력조건이 다르므로 재하상태를 나뉘어 구조적 안정성을 확인할 필요가 있다. 그럼에도 국내외적으로 가력조건에 따른 합성기둥에 대한 내력과 변형연구는 전무한 상태에 있다. 따라서 본 연구에서는 구조실험을 통해 가력조건 및 콘크리트 강도, 피복두께 변화에 의한 피복충전형 콘크리트 각형 기둥의 내력과 거동을 분석하였다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제26권1호
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• pp.31-42
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• 2014

본 연구에서는 콘크리트충전 각형강관에 구조용 피복콘크리트를 적용한 합성기둥에 대하여 연구하였다. 1/3~1/2 축소모델의 편심 압축실험체 4개와 중심압축실험체 1개를 제작하여 압축실험을 수행하였다. 실험 변수는 피복콘크리트의 강섬유 첨가여부, 편심거리, 기둥 길이, 그리고 횡보강 상세이다. 일부 실험체에서 최대강도 도달 후 피복콘크리트의 탈락으로 인한 강도저하가 발생하였으나 모든 실험체는 현행 설계기준(KBC 2009)에 의한 휨 압축 강도 및 공칭 압축강도를 초과하는 하중재하능력을 보였다.

• Steel and Composite Structures
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• 제45권1호
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• pp.51-66
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• 2022

This paper presents the axial compression behavior of partially encased composite (PEC) columns using H-shaped structural steel. In the experimental program, a total of eight PEC columns with H-shaped steel sections of different flange and web slenderness ratios were tested to investigate the interactive mechanism between steel and concrete. The test results showed that the PEC columns could sustain the load well beyond the peak load provided that the flange slenderness ratio was not greater than five. In addition, the previous analytical model was extended to predict the axial load-strain relationships of the PEC columns with H-shaped steel sections. A good agreement between the predicted load-strain relationships and test data was observed. Using the analytical model, the effects of compressive strength of concrete (21 to 69 MPa), yield strength of steel (245 to 525 MPa), slenderness ratio of flange (4 to 10), and slenderness ratio of web (10 to 25) on the interactive mechanism (K_h = confinement factor for highly confined concrete and K_w = reduction factor for steel web) and ductility index (DI = ratio between strain at peak load and strain at proportional load) were assessed. The numerical results showed that the slenderness of steel flange and yield strength of steel significantly influenced the compression behavior of the PEC columns.