Tubular construction is widely used in a range of civil and structural engineering applications. To date, the principal product range has comprised square, rectangular and circular hollow sections. However, hot-rolled structural steel elliptical hollow sections have been recently introduced and offer further choice to engineers and architects. Currently though, a lack of fundamental structural performance data and verified structural design guidance is inhibiting uptake. Of fundamental importance to structural metallic design is the concept of cross-section classification. This paper proposes slenderness parameters and a system of cross-section classification limits for elliptical hollow sections, developed on the basis of laboratory tests and numerical simulations. Four classes of cross-sections, namely Class 1 to 4 have been defined with limiting slenderness values. For the special case of elliptical hollow sections with an aspect ratio of unity, consistency with the slenderness limits for circular hollow sections in Eurocode 3 has been achieved. The proposed system of cross-section classification underpins the development of further design guidance for elliptical hollow sections.
This paper presents experimental and numerical investigations of aluminum tubular members subjected to combined bending and web crippling. A series of tests was performed on square hollow sections (SHS) fabricated by extrusion using 6061-T6 heat-treated aluminum alloy. Different specimen lengths were tested to obtain the interaction relationship between moment and concentrated load. The non-linear finite element models were developed and verified against the experimental results obtained in this study and test data from existing literature for aluminum tubular sections subjected to pure bending, pure web crippling, and combined bending and web crippling. Geometric and material non-linearities were included in the finite element models. The finite element models closely predicted the strengths and failure modes of the tested specimens. Hence, the models were used for an extensive parametric study of cross-section geometries, and the web slenderness values ranged from 6.0 to 86.2. The combined bending and web crippling test results and strengths predicted from the finite element analysis were compared with the design strengths obtained using the current American Specification, Australian/New Zealand Standard and European Code for aluminum structures. The findings suggest that the current specifications are either quite conservative or unconservative for aluminum square hollow sections subjected to combined bending and web crippling. Hence, a bending and web crippling interaction equation for aluminum square hollow section specimens is proposed in this paper.
A series of tests was performed to consider the behaviour of short composite columns under axial compressive loading, covering a range of S275 and S355 grade steel square hollow section filled with normal and high strength concrete. The interaction between the steel and the concrete component is considered and the results show that concrete shrinkage has an effect on the axial strength of the column. Comparisons between Eurocode 4, ACI-318 and the Australian Standards with the findings of this research were made. Result showed the equation used by the ACI-318 and the proposed Australian Standards gave better predication for the axial capacity of concrete filled SHS columns than the Eurocode 4.
This study involves a series of experiments on the buckling strength of eccentrically compressed cold-formed stainless steel square hollow-section columns. The principal parameters in this study are slenderness ratios ($L_k/r$ = 30, 50, 70) and magnitude of eccentricity e (0, 25, 50, 75, 100 mm) on the symmetrical end-moment. The objectives of this paper are to obtain the buckling loads by conducting a series of experiments and to compare the behavior of the eccentrically compressed cold-formed stainless steel square hollow-section columns with the results of the analysis. The ultimate buckling strength of the square-section members were determined with the use of a numerical method in accordance with the bending moment-axial force (M-P) interaction curves. The behavior of each specimen was displayed in the form of a moment-radian (M-${\theta}$) relationship. The numerically obtained ultimate-buckling interaction curves of the beam columns coincided with the results of the experiments.
Ran Feng;Tao Yang;Zhenming Chen;Krishanu Roy;Boshan Chen;James B.P. Lim
Steel and Composite Structures
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v.46
no.3
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pp.353-366
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2023
This paper presents a finite-element analysis (FEA) of aluminum alloy rectangular hollow sections (RHSs) and square hollow sections (SHSs) with circular through-openings under three-point and four-point bending. First, a finite-element model (FEM) was developed and validated against the corresponding test results available in the literature. Next, using the validated FE models, a parametric study comprising 180 FE models was conducted. The cross-section width-to-thickness ratio (b/t) ranged from 2 to 5, the hole size ratio (d/h) ranged from 0.2 to 0.8 and the quantity of holes (n) ranged from 2 to 6, respectively. Third, results obtained from laboratory test and FEA were compared with current design strengths calculated in accordance with the North American Specifications (NAS), the modified direct strength method (DSM) and the modified Continuous strength method (CSM). The comparison shows that the modified CSM are conservative by 15% on average for aluminum alloy RHSs and SHSs with circular through-openings subject to bending. Finally, a new design equation is proposed based on the modified CSM after being validated with results obtained from laboratory test and FEA. The proposed design equation can provide accurate predictions of flexural capacities for aluminum alloy RHSs and SHSs with circular through-openings.
This paper presents development of finite element simulation program and analysis of hot extrusion through square dies with a mandrel. The design of extrusion dies is still an art rather than science. Die design for a new extrusion process is developed from through in-plant trials. In the present paper, a three-dimensional steady-state finite element simulation program is developed. Steady-state assumption is used for both the analyses of deformation and temperature. The developed program is effectively used to simulate hollow extrusion of several sections. Distributions of temperature effective strain rate, mean strain rate and mean stress are studied for an effective design of extrusion dies.
This paper described the ultimate strength and deformation limit of the new uniplanar T-joints in cold-formed square hollow sections. In the configuration of the new T-joint, only a branch member is orientated to a chord member at 45 degrees in the plane of the truss. This study focused on the branch-rotated T-joints that were governed by chord flange failure in previous studies. Test results of the T-joint in cold-formed square hollow sections revealed a deformation limit of 3%B for $16.7{\leq}2{\gamma}(=B/T){\leq}33.3$ and $0.27{\leq}{\beta}(=b1/B){\leq}0.6$. The existing strength formulae for traditional T-joint were determined and a new yield-line model for the branch-rotated T-joint proposed. Finally, the strength formula on the yield-line analysis was compared with test results and the application range of the proposed formula recommended.
This paper described the ultimate strength and deformation limit of new uniplanar T-joints in cold-formed square hollow sections. The new T-joint had the configuration that only a branch member was oriented at 45 degrees to a chord member in the plane of the truss. This study focused on the branch-rotated T-joints governed by chord web failure. Based on the test results of the T-joint in cold-formed square hollow sections, the deformation lirnit was found to be 3%B for $16.7{\leq}2(B/T){\leq}33.3$ and $0.63{\leq}(b_1/B)=0.7$. Existing strength formulas for traditional T-joint were investigated, and the new strength formula for the branch-rotated T-joint was proposed. This proposed formula was based on column buckling theory considering the rounded corners of cold-formed square hollow sections. Finally, the optimization condition of yield stress and $2{\gamma}$ was recommended to select the optimized chord section.
This paper presents an experimental investigation of the flexural behavior of square hollow steel section (HSS) beams subjected to pure bending. Totally six unfilled and nine ultra high performance concrete (UHPC)-filled HSS beams were tested under four-point bending until failure. The effects of the steel tube thickness, the yield strength of the steel tube and the strength of concrete on moment capacity, curvature, and ductility of UHPC-filled HSS beams were examined. The performance indices named relative ductility index (RDI) and strength increasing factor (SIF) were investigated with regard to different height-to-thickness ratio of the specimens. The flexural strengths obtained from the tests were compared with the values predicted by Eurocode 4, AISC-LRFD and CIDECT design codes. The results showed that the increase in the moment capacity and the corresponding curvature is much greater for thinner HSS beams than thicker ones. Eurocode 4 and AISC-LRFD predict the ultimate moment capacity of the all UHPC-filled HSS beams conservatively.
In recent years, the use of steel tube confined concrete (STCC) columns has been the interests of many structural engineers. The present study is an attempt to study the monotonic and cyclic behaviours of STCC columns. For the monotonic behaviours, a series of tests on STCC stub columns (twenty one), and beam-columns (twenty) were carried out. The main parameters varied in the tests are: (1) column section types, circular and square; (2) tube diameter (or width) to thickness ratio, from 40 to 162, and (3) load eccentricity ratio (e/r), from 0 to 0.5. For the cyclic behaviours, the test parameters included the sectional types and the axial load level (n). Twelve STCC column specimens, including 6 specimens with circular sections and 6 specimens with square sections were tested under constant axial load and cyclically increasing flexural loading. Comparisons are made with predicted column strengths and flexural stiffness using the existing codes. It was found that STCC columns exhibit very high levels of energy dissipation and ductility, particularly when subjected to high axial loads. Generally, the energy dissipation ability of the columns with circular sections was much higher than those of the specimens with square sections. Comparisons are made with predicted column strengths and flexural stiffness using the existing codes such as AIJ-1997, AISCLRFD- 1994, BS5400-1979 and EC4-1994.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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