Kim, Hyun Ho;Shim, Chang Su;Yun, Kwang Jung;Lee, Pil Goo
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.17
no.5
s.78
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pp.549-559
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2005
A railway bridge with a double composite section is proposed to enhance the structural performance of existing two-girder bridges because the governing design parameter of railway bridges is the flexural stiffness. The concrete deck in negative moment regions is neglected in the design of continuous composite bridges assuming the concrete slab has no resistance to tension. Therefore, the flexural stiffness of the composite section in the negative moment region is reduced resulting in the increase of the depth of the steel section. In order to resolve this disadvantage, several methods are suggested and the double composite section is one of the excellent solutions for extending the span length and increasing the flexural stiffness. In this study, push-out tests on lying studs and mixed stud shear connection with lying and vertical studs were performed to investigate the behavior of the shear connection in the double composite section. Static strength of the shear connection was evaluated through the test results and numerical analyses.
Prestressed composite girder with concrete infilled steel tubes(PSC-CFT girder) is new type of bridge girder which enhances the resisting capacities due to the double composite action of PSC composite girder and concrete infilled tube. The flexural behaviors of PSC-CFT girder in the negative moment regions are investigated based on the experimental observations recently performed on two of 3.6m long specimens. The mechanical and structural roles and failure mechanism of the composite action are discussed through comparing the test results with those numerically predicted by the three methods of one and three-dimensional nonlinear finite element analysis, and section analysis method.
Prestressed composite girder with concrete infilled steel tubes(PSC-CFT girder) is new type of bridge girder which enhances the resisting capacities due to the double composite action of PSC composite girder and concrete infilled tube. The flexural behaviors of PSC-CFT girder in the positive moment regions are investigated based on the experimental observations recently performed on two of 4.4m long specimens. The mechanical and structural roles and failure mechanism of the composite action are discussed through comparing the test results with those numerically predicted by the three methods of one- and three-dimensional nonlinear finite element analyses, and section analysis method.
A simplistic approach towards evaluation of complete load deflection response of Reinforced Concrete (RC) flexural members under post fire (residual) scenario is presented in this paper. The cross-section of the RC flexural member is divided into a number of sectors. Thermal analysis is performed to determine the temperature distribution across the section, for given fire duration. Temperature-dependent stress-strain curves for concrete and steel are then utilized to perform a moment-curvature analysis. The moment-curvature relationships are obtained for beams exposed to different fire durations. These are then utilized to obtain the load-deflection plots following pushover analysis. Moreover one of the important issues of modeling the initial stiffness giving due consideration to stiffness degradation due to material degradation and thermal cracking has also been addressed in a rational manner. The approach is straightforward and can be easily programmed in spreadsheets. The presented approach has been validated against the experiments, available in literature, on RC beam subjected to different fire durations viz. 1hr, 1.5hrs and 2hrs. Complete load-deflection curves have been obtained and compared with experimentally reported counterparts. The results also show a good match with the results obtained using more complicated approaches such as those involving Finite element (FE) modeling and conducting a transient thermal stress analysis. Further evaluation of the beams during fire (at elevated temperatures) was performed and a comparison of the mechanical behavior of RC beams under post fire and during fire scenarios is made. Detailed formulations, assumptions and step by step approach are reported in the paper. Due to the simplicity and ease of implementation, this approach can be used for evaluation of global performance of fire affected structures.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.1
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pp.43-50
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2010
To address the problems caused by the corrosion of steel rebar, active research has recently been carried out on members where fiber-reinforced polymer (FRP) is used in place of rebar. As FRP bar is highly brittle and has a low modulus of elasticity, further research is needed on the evaluation of serviceability, in other words on the deflection of flexural concrete members reinforced with FRP rebars. Taking the reinforcement ratio as a variable, this paper analyzes the flexural capacity of concrete beams reinforced with CFRP rebar. The test results of specimens reinforced with CFRP rebar show an increase in stiffness and resisting force along with an increase in the reinforcement ratio. A reinforcement ratio of about 1.3 is needed for the member reinforced with CFRP rebar to show same section property of a steel member. Through a comparison for the value of an effective moment of inertia, the equation suggested by Bischoff & Scanlon predicted values closest to the actual results.
In the design of tall reinforced concrete (R/C) buildings, the serviceability stiffness criteria in terms of maximum lateral displacement and inter-story drift must be satisfied to prevent large second-order P-delta effects. To accurately assess the lateral deflection and stiffness of tall R/C structures, cracked members in these structures need to be identified and their effective member flexural stiffness determined. In addition, the implementation of the geometric nonlinearity in the analysis can be significant for an accurate prediction of lateral deflection of the structure, particularly in the case of tall R/C building under lateral loading. It can therefore be important to consider the cracking effect together with the geometric nonlinearity in the analysis in order to obtain more accurate results. In the present study, a computer program based on the iterative procedure has been developed for the three dimensional analysis of reinforced concrete frames with cracked beam and column elements. Probability-based effective stiffness model is used for the effective flexural stiffness of a cracked member. In the analysis, the geometric nonlinearity due to the interaction of axial force and bending moment and the displacements of joints are also taken into account. The analytical procedure has been demonstrated through the application of R/C frame examples in which its accuracy and efficiency in comparison with experimental and other analytical results are verified. The effectiveness of the analytical procedure is also illustrated through a practical four story R/C frame example. The iterative procedure provides equally good and consistent prediction of lateral deflection and effective flexural member stiffness. The proposed analytical procedure is efficient from the viewpoints of computational effort and convergence rate.
The reliability analysis of simply-supported and continuous composite plate girder and box girder bridges under flexure was performed to provide a basic data for the development of LRFD c ode. The bridges were designed based on LRFD specification with newly proposed design live load which was developed by analyzing traffic statistics from highways and local roads. A performance function for flexural failure was expressed as a function of the flexural resistance of composite section and the design moments due to permanent load and live load. For the flexural resistance, the statistical parameters obtained by analyzing over 16,000 domestic structural steel samples were used. Several different values of bias factors for the live load moment from 1.0 to 1.2 were used. Due to the lack of available domestic measured data on the moment by permanent loads, the same statistical properties used in the calibration of ASHTO-LRFD were ap plied. The reliability indices for the composite girder bridges with various span lengths, different live load factors, and bias fact or for the live load were obtained by applying the Rackwitz-Fiessler technique.
Precast concrete structures are erected from individual prefabricated components, which are assembled on-site using different types of connections. In the present design of these structures, beam-to-column connections are assumed pin jointed. Bolted billet beam to-column connections have been used in the precast concrete industry for many years. They have many advantages over other jointing methods in component production, quality control, transportation and assembly. However, there is currently limited information concerning their detailed structural behaviour under vertical loadings. The experimental work has involved the determination of moment-relative rotation relationships for semi-rigid precast concrete connections in full-scale connection tests. The study reported in this paper was undertaken to clarify the behaviour of such connections under symmetrical vertical loadings. A series of full-scale tests was performed on sample column for which the column geometry and bolt arrangements conformed to successful commercial practice. Proprietary hollow core floor slabs were tied to the beams by 2T25 tensile reinforcing bars, which also provide the in-plane continuity across the connections. The contribution of the floor strength and stiffness to the flexural capacity of the joint is currently neglected in the design process for precast concrete frames. The flexural strength of the connections in the double-sided tests was at least 0.93 times the predicted moment of resistance of the composite beam and slab. The secant stiffness of the connections ranged from 0.94 to 1.94 times the flexural stiffness of the attached beam. In general, the double-sided connections were found to be more suited to a semi-rigid design approach than the single sided ones. The behaviour of double sided bolted billet connection test results are presented in this paper. The behaviour of single sided bolted billet connection test results is the subject of another paper.
The ultra-high performance concrete (UHPC) mixed with hybrid fibers has excellent mechanical properties and durability, and the hybrid fibers have a certain impact on the bearing capacity, deformation capacity, and crack propagation of beams. Many scholars have conducted a series of studies on the bending performance of prestressed UHPC beams, but there are few studies on prestressed UHPC beams mixed with hybrid fibers. In this study, five bonded post-tensioned partially prestressed UHPC beams mixed with steel fibers and macro-polyolefin fibers were poured and subjected to four-points symmetric loading bending tests. The effects of different prestressing degrees and prestressing levels on the load-deflection curves, crack propagation, failure modes and ultimate bearing capacity of beams were discussed. The results showed that flexural failure occurred in the prestressed UHPC beams with hybrid fibers, and the integrity of specimens was good. When the prestressing degree was the same, the higher the prestressing level, the better the crack resistance capacity of UHPC beams; When the prestressing level was 90%, increasing the prestressing degree was beneficial to improve the crack resistance and ultimate bearing capacity of UHPC beams. When the prestressing degree increased from 0.41 to 0.59, the cracking load and ultimate load increased by 66.0% and 41.4%, respectively, but the ductility decreased by 61.2%. Based on the plane section assumption and considering the bridging effect of short fibers, the cracking moment and ultimate bearing moment were calculated, with good agreement between the test and calculated values.
This paper presented an integral design procedure for demountable bolted composite frames with semi-rigid joints. Moment-rotation relationships of beam-to-column joints were predicted with analytical models aiming to provide accurate and reliable analytical solutions. Among this, initial stiffness of beam-to-column joints was derived on the basis of Timoshenko's plate theory, and moment capacity was derived in accordance with Eurocodes. The predictions were validated with relevant test results prior to further applications. Frame analysis was conducted by using Abaqus software with material and geometrical nonlinearity considered. Variable lateral loads incorporating wind actions and earthquake actions in accordance with Australian Standards were adopted to evaluate the flexural behaviour of the composite frames. Strength and serviceability limit state criteria were utilized to verify configurations of designed models. A wide range of frames with the varied number of storeys and bays were thereafter programmed to ascertain bending moment envelopes under various load combinations. The analytical results suggest that the proposed approach is capable of predicting the moment-rotation performance of the semi-rigid joints reasonably well. Outcomes of the frame analysis indicate that the load combination with dead loads and live loads only leads to maximum sagging and hogging moment magnitudes in beams. As for lateral loads, wind actions are more crucial to dominate the design of the demountable composite frames than earthquake actions. No hogging moment reversal is expected in the composite beams given that the frames are designed properly. The proposed analysis procedure is demonstrated to be a simple and efficient method, which can be applied into engineering practice.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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