The design of tall buildings has recently provided many challenges to structural engineers. One such challenge is to minimise the cross-sectional dimensions of columns to ensure greater floor space in a building is attainable. This has both an economic and aesthetics benefit in buildings, which require structural engineering solutions. The use of high strength steel in tall buildings has the ability to achieve these benefits as the material provides a higher strength to cross-section ratio. However as the strength of the steel is increased the buckling characteristics become more dominant with slenderness limits for both local and global buckling becoming more significant. To arrest the problems associated with buckling of high strength steel, concrete filling and encasement can be utilised as it has the affect of changing the buckling mode, which increases the strength and stiffness of the member. This paper describes an experimental program undertaken for both encased and concrete filled composite columns, which were designed to be stocky in nature and thus fail by strength alone. The columns were designed to consider the strength in axial compression and were fabricated from high strength steel plate. In addition to the encased and concrete filled columns, unencased columns and hollow columns were also fabricated and tested to act as calibration specimens. A model for the axial strength was suggested and this is shown to compare well with the test results. Finally aspects of further research are addressed in this paper which include considering the effects of slender columns which may fail by global instabilities.
In this study, we evaluate the strength of steel box beam-to-column connections subjected to axial loads in steel frame piers. The T-connection strength was reduced due to the column axial force in the two-story pier structure. To examine this phenomenon, non-linear FEM analysis was carried out and the analytical procedure was verified by comparing it with experimental results. To clarify the effect of the axial force and major design parameters in connection with strength, influence of panel zone width-thickness ratio, sectional area, and axial force was investigated using FEM analysis. Also, the theoretical strength equations were suggested by stress distribution of panel zone. The strength of the T-connection was compared with one of the one-story pier structure connections. As a result, the strength evaluation equations are proposed in consideration of the panel zone width-thickness ratio and sectional area ratio for the T-connections.
The primary aim of this study is to develop a three dimensional finite element (FE) model to predict the axial stress-strain relationship and ultimate strength of the FRP-wrapped UHPC columns by comparing experimental results. The reliability of four selected confinement models and three design codes such as ACI-440, CSA-S806-02, and ISIS CANADA is also evaluated in terms of agreement with the experimental results. Totally 6 unconfined and 36 different types of the FRP-wrapped UHPC columns are tested under monotonic axial compression. The values of ultimate strengths of FRP-wrapped UHPC columns obtained from the experimental results are compared and verified with finite element (FE) analysis results and the design codes mentioned above. The concrete damage plasticity model (CDPM) in Abaqus is utilized to represent the confined behavior of the UHPC. The results indicate that agreement between the test results and the non-linear FE analysis results is highly satisfactory. The CSA-S806-02 design code is considered more reliable than the ACI-440 and the ISIS CANADA design codes to calculate the ultimate strength of the FRP-wrapped UHPC columns. None of the selected confinement models that are developed for FRP-wrapped low and normal strength concrete columns can safely predict the ultimate strength of FRP-wrapped UHPC columns.
In the Ultimate Strength Design, the design strength of a member is determined by multiplying the strength reduction factor to the nominal strength. This concept may be a reasonable approach, however it can not consider failure modes appropriately. Moreover, column design strength diagram show an abrupt change at a low level of axial load, which does not seem to be reasonable. This research compares the design strength determined by the strength resistance factors. As the material resistance factors for flexure and compression, 0.65 and 0.90 are proposed for concrete and steel, respectively. The design strength calculation process by applying material resistance factors addresses failure modes more effectively than by applying member strength reduction factor, and provides more resnable design strength for reinforced concrete flexural and compression members.
This paper aims to investigate the axial load behavior and stability strength of square tubed steel-reinforced concrete (TSRC) columns. Unlike concrete filled steel tubular (CFST) column, the outer steel tube of a TSRC column is mainly used to provide confinement to the core concrete. Ten specimens were tested under axial compression, and the main test variables included length-to-width ratio (L/B) of the specimens, width-to-thickness ratio (B/t) of the steel tubes, and with or without stud shear connectors on the steel sections. The failure mode, ultimate strength and load-tube stress response of each specimen were summarized and analyzed. The test results indicated that the axial load carried by square tube due to friction and bond of the interface increased with the increase of L/B ratio, while the confinement effect of tube was just the opposite. Parametric studies were performed through ABAQUS based on the test results, and the feasibility of current design codes has also been examined. Finally, a method for calculating the ultimate strength of this composite column was proposed, in which the slenderness effect on the tube confinement was considered.
The development of modern concrete technology makes it much easier to produce high-strength concrete (HSC) or ultra-high-strength concrete (UHSC) with high workability. However, the application of this concrete is limited in practical construction of traditional reinforced concrete (RC) structures due to low-ductility performance. To further push up the limit of the design concrete strength, concrete-filled-steel-tube (CFST) columns have been recommended considering its superior strength and ductility performance. However, the beneficial composite action cannot be fully developed at early elastic stage as steel dilates more than concrete and thereby reducing the elastic strength and stiffness of the CFST columns. To resolve this problem, external confinement in the form of steel rings is proposed in this study to restrict the lateral dilation of concrete and steel. In this paper, a total of 29 high-strength CFST (HSCFST) columns of various dimensions cast with concrete strength of 75 to 120 MPa concrete and installed with external steel rings were tested under uni-axial compression. From the results, it can be concluded that the proposed ring installation can further improve both strength and ductility of HSCFST columns by restricting the column dilation. Lastly, an analytical model calculating the uni-axial strength of ring-confined HSCFST columns is proposed and verified based on the Von-Mises and Mohr-Coulomb failure criteria for steel tube and in-filled concrete, respectively.
The objective of this study is to investigate the flexural behavior of reinforced concrete columns confined by lateral ties. This test was carried on the twelve reinforced concrete columns subjected to lateral and constant axial loads. The main experimental variables are concrete strength, the configuration of lateral ties, and the amount of lateral ties. Test results indicated that the steel configuration in column sections plays an important role in column behavior, and a proper configuration of lateral ties can obtain more ductile by the reduction of the space of lateral ties. Also, this experiment show that the utlization of high-strength concrete in columns properly designed on ACI Code takes less ductile. Therefore, we can conclude that the design of high-strength concrete columns under high axial loads requires more lateral ties than ACI Code.
A new type of precast steel reinforced concrete (PSRC) column was put forward in this paper. In order to study the static performance of PSRC column and hollow precast steel reinforced concrete (HPSRC) column subjected to combined compression and shear loading, a parametric test was carried out and effects of axial compression ratio, concrete strength and shear ratio on the mechanical behavior of composite PSRC column and HPSRC column were explored. In addition, the cracks development, load-span displacement relationship, strain distribution and shear bearing strength of column specimens were emphatically focused. Test results implied that shear failure of all specimens occurred during the test, and higher strength of cast-in-place concrete, smaller shear ratio and larger axial compression ratio could lead to greater shear resistance, but when the axial compression ratio was larger than 0.36, the shear capacity began to decrease gradually. Furthermore, truss-arch model for determining the shear strength of PSRC column and HPSRC column was proposed and the calculated results obtained from proposed method were verified to be valid.
In this paper a design formula has been proposed to predict the residual strength of damaged tubulars subjected to combined axial copression, hydrostatic pressure and end bending loadings. A theoretical analysis method was employed to calculate the residual strengths, in which the geometric configuration of damaged tubulars is realistically described using empirically derived equations. The predictions using this method have been compared with relevent experimental results to demonstrate their validity and accuracy. A rigorous parametric study has been conducted using the method, and then a design formula has been derived based upon the parametric study results.
In this paper a design formula has been proposed to predict the residual strength of damaged tubulars subjected to combined axial copression, hydrostatic pressure and end bending loadings. A theoretical analysis method was employed to calculate the residual strengths, in which the geometric configuration of damaged tubulars is realistically described using empirically derived equations. The predictions using this method have been compared with relevent experimental results to demonstrate their validity and accuracy. A rigorous parametric study has been conducted using the method, and then a design formula has been derived based upon the parametric study results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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