This paper presents an investigation of the thermal performance of composite floor slabs with profiled steel decking exposed to fire effects from floor. A detailed finite-element model has been developed by representing the concrete slab with steel decking under of it and steel beam both steel parts protected by intumescent coating. Although this type of floor systems offers a better fire resistance, passive fire protection materials should be applied when a higher fire resistance is desired. Moreover, fire exposed side is so crucial for composite slab systems as the total fire behaviour of the floor system changes dramatically. When the fire attack from steel parts, the temperature rises rapidly resulting in a sudden decrease on the strength of the beam and decking. Herein this paper, the fire attack side is assumed from the face of the concrete floor (top of the concrete assembly). Therefore, the heat is transferred through concrete to the steel decking and reaching finally to the steel beam both protected by intumescent coating. In this work, the numerical model has been established to predict the heat transfer performance including material properties such as thermal conductivity, specific heat and dry film thickness of intumescent coating. The developed numerical model has been divided into different layers to understand the sensitivity of steel temperature to the number of layers of intumescent coating. Results show that the protected composite floors offer a higher fire resistance as the temperature of the steel section remains below 60℃ even after 60-minute Standard (ISO) fire and Fast fire exposure. Obtaining lower temperatures in steel due to the great fire performance of the concrete itself results in lesser reductions of strength and stiffness hence, lesser deflections.
The subject of the ongoing research work is to analyze the composite action of the structural elements of composite slabs with profiled steel decking by experimental and numerical studies. The mechanical and frictional interlocks result in a complex behaviour and failure under horizontal shear action. This is why the design characteristics can be determined only by standardized experiments. The aim of the current research is to develop a computational method which can predict the behaviour of embossed mechanical bond under shear actions, in order to derive the design characteristics of composite slabs with profiled steel decking. In the first phase of the research a novel experimental analysis is completed on an individual concrete encased embossment of steel strip under shear action. The experimental behaviour modes and failure mechanisms are determined. In parallel with the tests a finite element model is developed to follow the ultimate behaviour of this type of embossment, assuming that the phenomenon is governed by the failure of the steel part. The model is verified and applied to analyse the effect of embossment's parameters on the behaviour. In the extended investigation different friction coefficients, plate thicknesses, heights and the size effects are studied. On the basis of the results the tendencies of the ultimate behaviour and resistance by the studied embossment's characteristics are concluded.
Jeon, Sang Hyun;Kyung, Jae Hwan;Kim, Young Ho;Choi, Sung Mo;Yang, Il Seung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.27
no.2
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pp.155-167
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2015
If of application of the deep deckting floor in long span more than 6m, the deflection caused by the construction load occurred high. Because the constructing-works and safety by this deflection, take actually supports to laborers working on the deck. However, installed supports are having difficultly such as the restricted passage, deficiency of working space, and lowering of efficiency. And toward-opening deck is seen as local buckling of web plate, flexural-torsional buckling, and gradually opening of corrugated decking. In this study, we will suggest a deep decking floor system that reinforced with both ends cap plates for toward-opneing decking change from opening to closing. The constructing deflection of a deep decking more than 6m must be satified 30mm and L/180 as proposed. Full-scale field tests loading by sand conducted a deep decking reinforced with and without cap plate. In conclusion, the specimen reinforced with cap plates have shown that to ensure the negative moment $wl^2/18$. And constructing-deflection of deep decking shown that to satisfy the evaluation value (L/180 or 30mm).
This paper reports a series of component tests on a lightweight floor system and a method to predict the natural frequency of the floor using a frame analysis program. Full-scale floor tests are also briefly described. DuraGal steel Rectangular Hollow Sections (in-line galvanised RHS) are used as joists, bearers and piers in DuraGal lightweight floor systems. A structural grade particleboard is used as decking. Connection stiffness between different components (bearer, joist, pier and floor decking) was determined. A 40% composite action was achieved between the RHS joist and the particleboard. Both 2D and 3D models were developed to study the effect of connection stiffness on predicting the natural frequency of DuraGal lightweight floor systems. It has been found that the degree of shear connection between the bearer and the joist has a significant influence on the floor natural frequency. The predicted natural frequencies are compared with measured values from full scale floor testing.
Twelve large-scale composite deck slabs were instrumented and tested in a cantilever diaphragm configuration to assess the effect of fibers and welded wire mesh (WWM) on the in-plane shear capacity of composite deck slabs. The slabs were constructed with reentrant decking profile and reinforced with different types and dosages of secondary reinforcements: Conventional welded wire mesh (A142 and A98); synthetic macro-fibers (dosages of $3kg/m^3$ and $5.3kg/m^3$); and hooked-end steel fibers with a dosage of $15kg/m^3$. The deck orientation relative to the main beam (strong and weak) was also considered in this study. Fibers and WWM were found efficient in distributing the applied load to the whole matrix, inducing multiple cracking, thereby enhancing the strength and ductility of composite deck slabs. The test results indicate that fibers increased the slab's ultimate in-plane shear capacity by up to 29% and 50% in the strong and weak directions, respectively. WWM increased the ultimate in-plane shear capacity by up to 19% in the strong direction and 9% in the weak direction. The results suggest that discrete fibers can provide comparable diaphragm behavior as that with the conventional WWM.
This paper presents an experimental investigation into the progressive collapse behavior of composite steel-concrete frames under various column removal scenarios. This study involves testing two two-bay, two-story composite frames featuring CFST columns and profiled steel decking composite slabs. Two removal scenarios, involving the corner column and middle column, are examined. The paper reports on the overall and local failure modes, vertical force-deformation responses, and strain development observed during testing. Findings indicate that structural failure initiates due to fracture and local buckling of the steel beam. Moreover, the collapse resistance and ductility of the middle column removal scenario surpass those of the corner column removal scenario. Subsequent numerical analysis reveals the significant contribution of the composite slab to collapse resistance and capacity. Additionally, it is found that horizontal boundary conditions notably influence the collapse resistance in the middle column removal scenario only. Finally, the paper proposes a simplified calculation method for collapse resistance, which yields satisfactory predictions.
Drying shrinkage in concrete caused by drying and the associated decrease in moisture content is one of the most important factors influencing the long-term deflection of steel-concrete composite slabs. The presence of profiled steel decking at the bottom of the composite slab causes non-uniform drying from top and bottom of the slab resulting non-uniform drying shrinkage. In this paper, a hydro-mechanical analysis method is proposed to simulate the development of non-uniform shrinkage through the depth of the composite slab. It also demonstrates how this proposed analysis method can be used in conjunction with previously presented structural analysis model to calculate the effects of non-uniform shrinkage on the long-term deflection of the slab. The method uses concrete moisture diffusion model to simulate the non-uniform drying of composite slab. Then mechanical models are used to calculate resulting shrinkage strain from non-uniform drying and its effect on the long-term behaviour of the composite slabs. The performance of the proposed analysis method is validated against experimental data.
Yanez, Sergio J.;Dinehart, David W.;Pina, Juan Carlos;Guzman, Carlos Felipe
Steel and Composite Structures
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v.44
no.4
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pp.545-555
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2022
Empirical relationships that capture the nonlinear behavior of headed steel shear stud anchors have been derived from standard push out tests, where the specimens are comprised of large wide flanged steel sections attached to flat concrete slabs via the anchors. However, many composite systems used in practice utilize much smaller steel members and/or steel decking as part of the slab system. Composite open web steel joist systems generally include both of these elements and consequently the nonlinear performance ofthe anchor is not accurately represented by existing models. In this paper, a new empirical relation is presented for open web steel joist systems based on experimental results from a modified push out test that more realistically represent a composite open web steel joist system. The methodology for obtaining the proposed nonlinear function where the response of the system is characterized by two parameters(α and β) is presented. The two-step process for obtaining the two parameters is described and the empirical relation is calibrated with the experimental data. In comparison with existing expressions, the new proposal herein more accurately predicts the high initialstiffness of the system and overall nonlinear system performance.
A new type of moment-resisting bolted connection was developed for use in composite steel- concrete construction to connect composite open section steel beams to concrete filled steel square tubular columns. The connection was made possible using anchored blind bolts along with two through bolts. It was designed to act compositely with the in-situ reinforced concrete slab to achieve an enhanced stiffness and strength. The developed connection was incorporated in the design of a medium rise (five storey) commercial building which was located in low to medium seismicity regions. The lateral load resisting system for the design building consisted of moment resisting frames in two directions. A major full scale test on a sub-assembly of a perimeter moment-resisting frame of the model building was conducted to study the system behaviour incorporating the proposed connection. The behaviour of the proposed connection and its interaction with the floor slab under cyclic loading representing the earthquake events with return periods of 500 years and 2500 years was investigated. The proposed connection was categorized as semi rigid for unbraced frames based on the classification method presented in Eurocode 3. Furthermore, the proposed connection, composite with the floor slab, successfully provided adequate lateral load resistance for the model building.
Steel-concrete composite slabs represent a very efficient floor solution combining the key performance of two different materials: the steel and the concrete. Composite slab response is governed by the degree of the interaction between these two materials, mainly depending by chemical and mechanical bond. The latter is characterized by a limited degree of confinement if compared with the one of the rebars in reinforced concrete members while the former is remarkably influenced by the type of concrete and the roughness of the profiled surface, frequently lubricated during the cold-forming manufacturing processes. Indeed, owing to the impossibility to guarantee a full interaction between the two materials, a key parameter governing slab design is represented by the horizontal shear-bond strength, which should be always experimentally estimated. According to EC4, the design of the slab bending resistance, is based on the simplified assumption that the decking sheet is totally yielded, i.e., always in plastic range, despite experimental and numerical researches demonstrate that a large part of the steel deck resists in elastic range when longitudinal shear collapse is achieved. In the paper, the limit strain for composite slab, which corresponds to the slip, i.e., the debonding between the two materials, has been appraised by means of a refined numerical method used for the simulation of experimental results obtained on 8 different composite slab types. In total, 71 specimens have been considered, differing for the properties of the materials, cross-section of the trapezoidal profiled metal sheets and specimen lengths.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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