In a nonlinear finite element study on the mechanical behavior of simple beam connections to continuous concrete-filled steel tube columns, two principally different connection types were analyzed: one with plates attached to the outside of the tube wall, relying on shear transfer, and one with an extended plate inserted through the steel section to ensure bearing on the concrete core. The load was applied partly at the connection within the column length and partly at the top, representing the load from upper stories of a multistory building. The primary focus was on the increased demand for load transfer to ensure composite action when concrete with higher compressive strength is used. The results obtained from the analyses showed that the design bond strength derived from push tests is very conservative, mainly due to the high frictional shear resistance offered by pinching and contraction effects caused by connection rotation. However, with higher concrete strength the demand for load transfer increases, and is hard to fulfill for higher loads when connections are attached only to the steel section. Instead, the connection should penetrate into the concrete core to distribute load to the concrete by direct bearing.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2001.11a
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pp.585-590
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2001
The structural characteristics of concrete-filled glass fiber reinforced polymer tubes were studied. The concept of concrete-filled composite columns was introduced to overcome the corrosion problems associated with steel and concrete piles under severe environments. Other benefits of composite columns include low maintenance cost, high earthquake resistance, and long expected endurance period. Several experiments were conducted; 1) compression test for short-length composite columns, 2) uniaxial compression tests on a total of 7 columns with various slenderness ratios. Short-length columns give higher strength and ductility revealing high confinement action in concrete. Failure strengths, failure patterns, confinement effects, and stress-strains relations were analyzed for slender columns. Current study will show the feasibility of concrete-filled glass fiber reinforced polymer composite columns in corrosive environments, and will provide an experimental database for columns that are externally reinforced by multidirectional fibers.
Experimental results of 39 specimens including concrete columns, RC columns, hollow steel tube columns, concrete filled steel tubular (CFT) columns, and reinforced concrete filled steel tubular (RCFT) columns are presented. Based on the experimental results, the load-carrying capacity, confined effect, ductility, and failure mode of test columns are investigated. The effects of the main factors such as width-thickness ratio (the ratio of external diameter and wall thickness for steel tubes), concrete strength, steel tube with or without rib, and arrangement of reinforcing bars on the mechanical characteristics of columns are discussed as well. The differences between CFT and RCFT are compared. As a result, it is thought that strength, rigidity and ductility of RCFT are improved; especially strength and ductility are improved after the peak of load-displacement curve.
A series of tests on concrete-filled SHS (Square Hollow Section) stub columns (twenty), columns (eight) and beam-columns (twenty one) were carried out. The main parameters varied in the tests are (1) Confinement factor (${\xi}$) from 1.08 to 5.64, (2) concrete compression strength from 10.7MPa to 36.6MPa, (3) tube width to thickness ratio from 20.5 to 36.5. (4) load eccentricity (e) from 15 mm to 80 mm and (5) column slenderness (${\lambda}$) from 45 to 75. A mechanics model is developed in this paper for concrete-filled SHS stub columns, columns and beam-columns. A unified theory is described where a confinement factor (${\xi}$) is introduced to describe the composite action between the steel tube and filled concrete. The predicted load versus axial strain relationship is in good agreement with stub column test results. Simplified models are derived for section capacities and modulus in different stages of the composite sections. The predicted beam-column strength is compared with that of 331 beam-column tests with a wide range of parameters. A good agreement is obtained. The predicted load versus midspan deflection relationship for beam-columns is in good agreement with test results. A simplified model is developed for calculating the member capacity of concrete-filled SHS columns. Comparisons are made with predicted columns strengths using the existing codes such as LRFD (AISC 1994), AIJ (1997), and EC4 (1996). Simplified interaction curves are derived for concrete-filled beam-columns.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.11a
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pp.613-616
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2003
Steel-concrete composite columns are used extensively in modern buildings. Extensive research on composite columns in which structural steel are in concrete have been carried out. In-filled composite columns, however have received limited attention compared to encased columns. In this paper, interrelationship of parameters is examined into analyzing and comparing with data through ABAQUS program and experiment on concrete filled tubular column under axial load and propriety of model is checked out by FEM analysis. The main variations of this paper are width-thickness ratio of the section(B/t =33.3, 38.9, 44.4), concrete strength($f_{ck}$=240, 360kgf/$\textrm{cm}^2$), and width-length ratio($L_o$/B=8.0, 10.0, 12.0, 15.0, 20.0). The ultimate value obtained through analysis is compared with test value and calculated by design code of other countries and previous studies.
AL-Eliwi, Baraa J.M.;Ekmekyapar, Talha;Faraj, Radhwan H.;Gogus, M. Tolga;AL-Shaar, Ahmed A.M.
Steel and Composite Structures
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v.25
no.3
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pp.299-314
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2017
The aim of this paper is to investigate the performance of Lightweight Aggregate Concrete Filled Steel Tube (LWCFST) columns experimentally and compare to the behavior of Self-Compacted Concrete Filled Steel Tube (SCCFST) columns under axial loading. Four different L/D ratios and three D/t ratios were used in the experimental program to delve into the compression behaviours. Compressive strength of the LWC and SCC are 33.47 MPa and 39.71 MPa, respectively. Compressive loading versus end shortening curves and the failure mode of sixteen specimens were compared and discussed. The design specification formulations of AIJ 2001, AISC 360-16, and EC4 were also assessed against test results to underline the performance of specification methods in predicting the compression capacity of LWCFST and SCCFST columns. Based on the behaviour of the SCCFST columns, LWCFST columns exhibited different performances, especially in ductility and failure mode. The nature of the utilized lightweight aggregate led to local buckling mode to be dominant in LWCFST columns, even the long LWCFST specimens suffered from this behaviour. While with the SCCFST specimens the global buckling governed the failure mode of long specimens without any loss in capacity. Considering a wide range of column geometries (short, medium and long columns), this paper extends the current knowledge in composite construction by examining the potential of two promising and innovative structural concrete types in CFST applications.
An experimental study on six axially-loaded composite short columns with different thicknesses of steel tube and that of the concrete plate was carried out. Compared to the mechanical behavior of component specimens under axially compressed, the failure modes, compression deformation, and strain process were obtained. The two main parameters that have a significant enhancement to cross-sectional strength were also analyzed. The failure of an axially loaded UHPC-CFST short column is due to the crushing of the UHPC plate, while the CFST member does reach its maximum resistance. A reduction coefficient K'c, related to the confinement coefficient, is introduced to account for the contribution of CFST members to the ultimate load-carrying capacity of the UHPC-CFST composite short columns. Based on the regression analysis of the relationship between the confinement index ξ and the value of fcc/fc, a unified formula for estimating the axial compressive strength of CFST short columns was proposed, combined with the experimental results in this research, and an equation for reliably predicting the strength of UHPC-CFST composite short columns under axial compression were also proposed.
The objective of this paper is to investigate the confinement coefficient of concrete-filled square stainless steel tubular (CFSSST) stub columns under axial loading. A fine finite 3D solid element model was established, which utilized a constitutive model of stainless steel considering the strain-hardening characteristics and a triaxial plastic-damage constitutive model of concrete with features of the parameter certainty under axial compression. The finite element analysis results revealed that the increased ultimate bearing capacity of CFSSST stub columns compared with their carbon steel counterparts was mainly due to that the composite action of CFSSST stub columns is stronger than that of carbon steel counterparts. A further parametric study was carried out based on the verified model, and it was found that the stress contribution of the stainless steel tube is higher than the carbon steel tube. The stress nephogram was simplified reasonably in accordance with the limit state of core concrete and a theoretical formula was proposed to estimate the ultimate bearing capacity of square CFSSST stub columns using superposition method. The predicted results showed satisfactory agreement with both the experimental and FE results. Finally, the comparisons of the experimental and predicted results using the proposed formula and the existing codes were illustrated.
Bahrami, Alireza;Badaruzzaman, Wan Hamidon Wan;Osman, Siti Aminah
Computers and Concrete
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v.9
no.6
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pp.403-426
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2012
This paper deals with the structural behaviour of tapered concrete-filled steel composite (TCFSC) columns under eccentric loading. Finite element software LUSAS is used to perform the nonlinear analyses to predict the structural behaviour of the columns. Results from the finite element modelling and existing experimental test are compared to verify the accuracy of the modelling. It is demonstrated that they correlate reasonably well with each other; therefore, the proposed finite element modelling is absolutely accurate to predict the structural behaviour of the columns. Nonlinear analyses are carried out to investigate the behaviour of the columns where the main parameters are: (1) tapered angle (from $0^{\circ}$ to $2.75^{\circ}$); (2) steel wall thickness (from 3 mm to 4 mm); (3) load eccentricity (15 mm and 30 mm); (4) L/H ratio (from 10.67 to 17.33); (5) concrete compressive strength (from 30 MPa to 60 MPa); (6) steel yield stress (from 250 MPa to 495 MPa). Results are depicted in the form of load versus mid-height deflection plots. Effects of various tapered angles, steel wall thicknesses, and L/H ratios on the ultimate load capacity, ductility and stiffness of the columns are studied. Effects of different load eccentricities, concrete compressive strengths and steel yield stresses on the ultimate load capacity of the columns are also examined. It is concluded from the study that the parameters considerably influence the structural behaviour of the columns.
This paper presents the results of an experimental study on the behavior of a new type of composite FRP-concrete-steel member subjected to bi-axial eccentric loading. This new type of composite member is in the form of concrete-filled square steel tube slender columns with inner CFRP (carbon fiber-reinforced polymer) circular tube, composed of an inner CFRP tube and an outer steel tube with concrete filled in the two tubes. Tests on twenty-six specimens of high strength concrete-filled square steel tube columns with inner CFRP circular tube columns (HCFST-CFRP) were carried out. The parameters changed in the experiments include the slenderness ratio, eccentric ratio, concrete strength, steel ratio and CFRP ratio. The experimental results showed that the failure mode of HCFST-CFRP was similar to that of HCFST, and the specimens failed by local buckling because of the increase of lateral deflection. The steel tube and the CFRP worked together well before failure under bi-axial eccentric loading. Ductility of HCFST-CFRP was better than that of HCFST. The ultimate bearing capacity of test specimen was calculated with simplified formula, which agreed well with test results, and the simplified formula can be used to calculate the bearing capacity of HCFSTF within the parameters of this test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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