This paper proposes a modified bar simulation method for analyzing the shear lag effect of variable sectional box girder with multiple cells. This theoretical method formulates the equivalent area of stiffening bars and the allocation proportion of shear flows in webs, and re-derives the governing differential equations of bar simulation method. The feasibility of the proposed method is verified by the model test and finite element (FE) analysis of a simply supported multi-cell box girder with constant depth. Subsequently, parametric analysis is conducted to explore the mechanism of shear lag effect of varied sectional cantilever box girder with multiple cells. Results show that the shear lag behavior of variable box-section cantilever box girder is weaker than that of box girder with constant section. It is recommended to make the gradient of shear flow in the web with respect to span length vary as smoothly as possible for eliminating the shear lag effect of box girder. An effective countermeasure for diminishing shear lag effect is to increase the number of box chambers or change the variation manner of bridge depth. The shear lag effect of varied sectional cantilever box girder will get more server when the length of central flanges is shorter than 0.26 or longer than 0.36 times of total width of top flange, as well as the cantilever length exceeds 0.29 times of total length of box's flange. Therefore, the distance between central webs can adjust the shear lag effect of box girder. Especially, the width ratio of cantilever plate with respect to total length of top flange is proposed to be no more 1/3.
An analytical method considering axial equilibrium is proposed for the short- and long-term analyses of shear lag effect in reinforced concrete (RC) box girders. The axial equilibrium of box girders is taken into account by using an additional generalized displacement, referred to as the longitudinal displacement of the web. Three independent shear lag functions are introduced to describe different shear lag intensities of the top, bottom, and cantilever plates. The time-dependent material properties of the concrete are simulated by the age-adjusted effective modulus method (AEMM), while the reinforcement is assumed to behave in a linear-elastic fashion. The differential equations are derived based on the longitudinal displacement of the web, the vertical displacement of the cross section, and the shear lag functions of the flanges. The time-dependent expressions of the generalized displacements are then deduced for box girders subjected to uniformly distributed loads. The accuracy of the proposed method is validated against the finite element results regarding the short- and long-term responses of a simply-supported RC box girder. Furthermore, creep analyses considering and neglecting shrinkage are performed to quantify the time effects on the long-term behavior of a continuous RC box girder. The results show that the proposed method can well evaluate both the short- and long-term behavior of box girders, and that concrete shrinkage has a considerable impact on the concrete stresses and internal forces, while concrete creep can remarkably affect the long-term deflections.
Balanced cantilever construction is extensively used in the construction of prestressed concrete (PSC) box-girder bridges. Shear-lag effect is usually considered in finished bridges, while the cumulative shear-lag effect in bridges during balanced cantilever construction is considered only rarely. In this paper, based on the balanced cantilever construction sequences of large-span PSC box-girder bridges, the difference method is employed to analyze the cumulative shear-lag effect of box girders with varying depth under the concrete segments' own weight. During cantilever construction, no negative shear-lag effect is generated, and the cumulative shear-lag effect under the balanced construction procedure is greater than the instantaneous shear-lag effect in which the full dead weight is applied to the entire cantilever. Three cross-sections of Jianjiang Bridge were chosen for the experimental observation of shear-lag effect, and the experimental results are in keeping with the theoretical results of cumulative shear-lag effect. The research indicates that only calculating the instantaneous shear-lag effect is not sufficiently safe for practical engineering purposes.
Kim, Sang Yeob;Kim, YoungSeok;Lee, Jangguen;Lee, Jong-Sub
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.18
no.3
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pp.5-14
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2017
Experimental study on strength characteristics of frozen soils is necessary for the safety evaluation of design and construction in cold region. The objective of this study is to evaluate the direct shear strength of frozen soils obtained from traditional system (Type-1), system with roller on the upper shear box (Type-2), and system with fixed upper shear box separated from bottom shear box (Type-3). Specimens mixed with sand, silt, and water are frozen to $-5^{\circ}C$, and then direct shear tests are conducted under the normal stress of 5, 10, 25, and 50 kPa. Experimental results show that the upper shear box of Type-1 touches the bottom shear box due to the rotation of the upper shear box. The shear strength obtained from Type-2 is overestimated because the preventing rotation force is added to shear force. Type-3 may acquire the only strength of the specimen, and shear strain at peak shear strength is similar to that at the beginning of vertical displacement occurrence. In addition, internal friction angle and cohesion at both peak and residual stresses in Type-3 are smaller than those of Type-2. This study shows that high strength specimens including frozen soils can be effectively evaluated using improved shear box system such as Type-3.
The traditional prestressed concrete composite box-girders with corrugated steel webs have several drawbacks such as large deflection and potential local buckling. In this study, two methods were investigated to optimize and improve the prestressed concrete composite box-girders with corrugated steel webs. The first method was to replace the concrete bottom slab with a steel plate and the second method was to support the concrete bottom slab on the steel flanges. The behavior of the prestressed concrete composite box-girders with corrugated steel webs with either method was studied by experiments on three specimens. The test results showed that behavior of the optimized and upgraded prestressed concrete composite box-girders with corrugated steel webs, including ultimate bearing capacity, flexural stiffness, and crack resistance, is greatly improved. In addition, the influence of different shear connectors, including perfobond leisten (PBL) and stud shear connectors, on the behavior of prestressed concrete composite box-girders with corrugated steel webs was studied. The results showed that PBL shear connectors can greatly improve the ultimate bearing capacity, flexural stiffness and crack resistance property of the prestressed concrete composite box-girders with corrugated steel webs. However, for the efficiency of prestressing introduced into the girder, the PBL shear connectors do not perform as well as the stud shear connectors.
Presence of high degree of orthotropy enhances shear lag phenomenon in laminated composite box-beams and it persists till failure. In this paper three key parameters governing shear lag behavior of laminated composite box beams are identified and defined by simple expressions. Uniqueness of the identified key parameters is proved with the help of finite element method (FEM) based studies. In addition to this, for the sake of generalization of prediction of shear lag effect in symmetrical laminated composite box beams a feed forward back propagation neural network (BPNN) model is developed. The network is trained and tested using the data base generated by extensive FEM studies carried out for various b/D, b/tF, tF/tW and laminate configurations. An optimum network architecture has been established which can effectively learn the pattern. Computational efficiency of the developed ANN makes it suitable for use in optimum design of laminated composite box-beams.
Kim, Dae-Hyeok;Han, Sang-Yun;Kim, Jung-Hun;Kang, Young-Jong
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.4
no.3
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pp.30-37
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2013
It is same such as the provision of shear buckling strength of steel composite box girder web panel and plate girder web panel in Korea Highway Bridge Design Standards(2012). But the web panel of steel composite box girder is different from the web of plate girder in that the upper slab and lower flange are connected to the web. So a different shear behavior of the girders is expected. In this study, To calculate a reasonable elastic shear buckling strength of steel composite box girder web panel, ABAQUS program was used. The results from F.E.A and previous studies are compared. It is shown that the web shear buckling strength of steel composite box girder of Korea Highway Bridge Design Standards(2012) is the most conservative.
A box scale affects the shear behavior of soils in the direct shear test. The purpose of this study is to investigate the scale effect on the shear behavior of dilative granular materials by testing specimens of different heights placed in a type C shear box. Experimental tests were performed on specimens composed of glass beads with different heights and equal initial void ratios. Results showed that the peak friction and dilation angles linearly increased with the specimen height; however, the residual friction angle remained relatively constant. Similarly, the shear stiffness increased with the specimen height, rapidly reaching its peak state. Height does not have a significant effect on the total volume changes; nevertheless, a high aspect ratio can be assumed to result in global and homogeneous failure. The results and interpretations may be used as reference for recommending shear box scale in direct shear tests.
Experimental studies on the behaviors of box-shape steel reinforced concrete (SRC) composite beams were conducted. Seven 1:3 scale model composite beams were tested to failure. Each of the beams was simply supported at the ends and two concentrated loads were applied at the one-third span and two-thirds span respectively. Experimental results indicate that the flexural strength can be enhanced when the ratio of flexural reinforcements and flange thickness of the shape steel are increased; the shear strength is enhanced with increase of web thickness of the shape steel. Insignificant effects of concrete in the box-shape steel are found on improving the flexural strength and shear strength of the box-shape SRC composite beams, thus concrete inside the box-shape steel can be saved, and the weight of the SRC beams can be decreased. Shear studs can strengthen the connection and co-work effects between the shape steel and the concrete and enhance the shear strength, but stud design for the composite beams should be further improved. Formulas for flexural and shear strength of the composite beams are proposed, and the calculated results are in good agreement with the experimental results. In general, the box-shape SRC composite beam is a kind of ductile member, and suitable for extensive engineering application.
This study provides a simplified method for the evaluation of shear lag stress in rectangular box T-joints. The occurrence of shear lag phenomenon in the box T-joint generates stress concentration localized at both web-flange junctions of the beam, which leads to cracking or failure in the weld region of the joint. To prevent such critical circumstance, peak stress at the weld region is required to be checked during a preliminary design stage. In this paper, the shear lag stresses in the T-joints were evaluated using least-work solution in which the longitudinal displacements of the beam flange and web were presumed. The evaluation process considered particularly the effect of column flange flexibility, which was represented by an axial spring model, on the shear lag stress distribution. A simplified method for stress evaluation was provided to avoid solving complex mathematical problems using a stress modification factor βs from a parametric study. The results showed that the proposed method was valid for predicting the shear lag stress in the box T-joints manually, as well compared with finite element results. The results are further summarized, discussed, and clarified that more flexible column flange caused higher stress concentration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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