Current design code states that the strength reduction factor shall be permitted to be increased linearly from that for axial compression to that for flexure as the design axial load strength $\Phi$cPn decrease from 0.1fckAg to zero. Since this empirically adopted axial load level of $\Phi$cPn=0.1fckAg considers only sectional area and concrete strength, the other variables such as steel ratio, steel yielding strength, and steel arrangement can not be considered. This research is performed to investigate the consistency and the rationality of the code requirement for determination of column design strength. A nonlinear axial force-moment-curvature analysis was conducted in order to investigate the ductility of reinforced concrete column sections. As the result of ductility analysis, it was found that the ductility at the axial force of $\Phi$cPn=0.1fckAg represented a lock of consistency for the various variable contained sections. Therefore, a more reasonable application method of strength reduction factor is proposed, that is based on the strain ductility index.
In the design of concrete columns, it is important to provide some nominal flexural ductility even for structures not subjected to earthquake attack. Currently, the nominal flexural ductility is provided by imposing empirical deemed-to-satisfy rules, which limit the minimum size and maximum spacing of the confining reinforcement. However, these existing empirical rules have the major shortcoming that the actual level of flexural ductility provided is not consistent, being generally lower at higher concrete strength or higher axial load level. Hence, for high-strength concrete columns subjected to high axial loads, these existing rules are unsafe. Herein, the combined effects of concrete strength, axial load level, confining pressure and longitudinal steel ratio on the flexural ductility are evaluated using nonlinear moment-curvature analysis. Based on the numerical results, a new design method that provides a consistent level of nominal flexural ductility by imposing an upper limit to the axial load level or a lower limit to the confining pressure is developed. Lastly, two formulas and one design chart for direct evaluation of the maximum axial load level and minimum confining pressure are produced.
Taborda, Catia S.B.;Bernardo, Luis F.A.;Gama, Jorge M.R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.5
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pp.465-479
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2018
In a previous study, design charts where proposed to help the torsional design of axially restricted reinforced concrete (RC) beams with squared cross section. In this article, new design charts are proposed to cover RC beams with rectangular cross section. The influence of the height to width ratio of the cross section on the behavior of RC beams under torsion is firstly shown by using theoretical and experimental results. Next, the effective torsional strength of a reference RC beam is computed for several values and combinations of the study variables, namely: height to width ratio of the cross section, concrete compressive strength, torsional reinforcement ratio and level of the axial restraint. To compute the torsional strength, the modified Variable Angle Truss Model for axially restricted RC beams is used. Then, an extensive parametric analysis based on multivariable and nonlinear correlation analysis is performed to obtain nonlinear regression equations which allow to build the new design charts. These charts allow to correct the torsional strength in order to consider the favourable influence of the compressive axial stress that arises from the axial restraint.
Local buckling can be ignored for hot-rolled ordinary strength steel equal angle compression members, because the width-to-thickness ratios of the leg don't exceed the limit value. With the development of steel structures, Q420 high strength steel angles with the nominal yield strength of 420 MPa have begun to be widely used in China. Because of the high strength, the limit value of the width-to-thickness ratio becomes smaller than that of ordinary steel strength, which causes that the width-to-thickness ratios of some hot-rolled steel angle sections exceed the limit value. Consequently, local buckling must be considered for 420 MPa steel equal angles under axial compression. The existing research on the local buckling of high strength steel members under axial compression is briefly summarized, and it shows that there is lack of study on the local buckling of high strength steel equal angles under axial compression. Aiming at the local buckling of high strength steel angles, this paper conducts an axial compression experiment of 420MPa high strength steel equal angles, including 15 stub columns. The test results are compared with the corresponding design methods in ANSI/AISC 360-05 and Eurocode 3. Then a finite element model is developed to analyze the local buckling behavior of high strength steel equal angles under axial compression, and validated by the test results. Following the validation, a finite element parametric study is conducted to study the influences of a range of parameters, and the analysis results are compared with the design strengths by ANSI/AISC 360-05 and Eurocode 3.
Kim, Jeong-Hoi;Song, Hyung-Soo;Park, Jin-Soo;Min, Chang-Shik
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.05a
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pp.422-425
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2006
AISC-LRFD, ACI 318 and Korean design specifications for concrete filled circular steel tube columns do not consider the increasing of axial stiffness such as the elastic modulus and the yield strength due to the confinement effect. AISC-LRFD and ACI 318, however, shows different basic philosophy and equations for computing the elastic modulus and the strength of CFT columns. Through this experimental study, 9 circular CFT column specimens were made by varying thickness steel tube and concrete strength, the axial stiffness were compared. The comparison between the design specifications and the test results shows different values on the elastic modulus and yield strength of the CFT columns. Even though, yield strength of the CFT columns are very similar between AISC-LRFD and Korean design specifications.
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.
This paper compares the performance of axially loaded concrete filled steel tube (CFST) columns cast using a conventionally vibrated normal concrete (NC) and a novel self-consolidating concrete (SCC) made with a new viscosity modifying admixture (VMA). A total of sixteen columns with a standard compressive strength of about 50 MPa for both SCC and NC were tested by applying concentric axial load through the concrete core. Columns were fabricated without and with longitudinal and hoop reinforcement (Series I and Series II, respectively) in addition to the tube confinement. The slenderness of the columns expressed as height to diameter ratio (H/D) ranged between 4.8 and 9.5 for Series CI and between 3.1 and 6.5 for Series CII. The strength and ductility of SCC columns were found comparable to those of their NC counterparts as the maximum strength enhancement in NC columns ranged between 1.1% and 7.5% only. No significant difference in strain development was found due to the presence of SCC or NC or due to the presence of longitudinal and hoop reinforcement. Biaxial stress development in the steel tube as per von Mises yield criterion showed similar characteristics for both SCC and NC columns. The confined strength ($f^{\prime}_{cc}$) of SCC was found to be lower than that of NC and $f^{\prime}_{cc}$ also decreased with the increase of slenderness of the columns. Analytical models for the prediction of confined concrete strength and axial strength of CFST columns were developed and their performance was validated through test results. The proposed models were found to predict the axial strength of CFST columns better than existing models and Code based design procedures.
Kim, Seung-Hun;Lee, Ae-Bock;Han, Byung-Chan;Ha, Sang-Su;Yun, Hyun-Do
Structural Engineering and Mechanics
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v.18
no.4
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pp.493-516
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2004
This paper addresses the behavior and strength of structural walls with a concrete compressive strength exceeding 69 MPa. This information also enhances the current database for improvement of design recommendations. The objectives of this investigation are to study the effect of axial-load ratio on seismic behavior of high-strength concrete flexural walls. An analysis has been carried out in order to assess the contribution of deformation components, i.e., flexural, diagonal shear, and sliding shear on total displacement. The results from the analysis are then utilized to evaluate the prevailing inelastic deformation mode in each of wall. Moment-curvature characteristics, ductility and damage index are quantified and discussed in relation with axial stress levels. Experimental results show that axial-load ratio have a significant effect on the flexural strength, failure mode, deformation characteristics and ductility of high-strength concrete structural walls.
The effect of out-of-plane loads on the fatigue strength of welded steel structures is examined through fatigue tests with weldment of two fillet weld joint types. The results of the fatigue tests are compared with those under axial loads, on the basis of the hot spot stress range at the weld toe. From the result of the comparison, a method on how to incorporate the effect of the out-of-plane bending stress is proposed using design S-N curves derived from fatigue tests under the axial load. The proposed method is useful for rational assessment of the fatigue strength of fillet-welded structures, where combined stresses of the in-plane axial stress and the out-of-plane bending stress are induced simultaneously due to the complexity of applied loads and structural geometry.
The effect of out-of-plane loads on the fatigue strength of welded steel structures is examined through fatigue tests with weldment of two fillet weld joint types. The results of the fatigue tests are compared with those under axial loads, on the basis of the hot spot stress range at the weld toe. From the result of the comparison, a method on how to incorporate the effect of the out-of-plane bending stress is proposed using design S-N curves derived from fatigue tests under the axial load. The proposed method is useful for rational assessment of the fatigue strength of fillet-welded structures, where combined stresses of the in-plane axial stress and the out-of-plane bending stress are induced simultaneously due to the complexity of applied loads and structural geometry.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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