Bonilla, Jorge;Bezerra, Luciano M.;Mirambell, Enrique;Massicotte, Bruno
Steel and Composite Structures
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제27권3호
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pp.355-370
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2018
In steel-concrete composite beams, longitudinal shear forces are transferred across steel flange-concrete slab interface by means of shear connectors. The connector behavior is highly non-linear and involves several complex mechanisms. The design resistance and stiffness of composite beams depends on the shear connection behavior and the accuracy in the connector resistance prediction is essential. However determining the stud shear resistance is not an easy process: analytical methods do not give an adequate response to this problem and it is therefore necessary to use experimental methods. This paper present a summary of the main procedures to predict the resistance of the stud shear connectors embedded in solid slab, and stud shear connectors in composite slab using profiled steel sheeting with rib perpendicular to steel beam. A large number of experimental studies on the behavior of stud shear connectors and reported in the literature are also summarized. A comparison of the stud shear resistance prediction using six reference codes (AISC, AASHTO, Eurocode-4, GB50017, JSCE and AS2327.1) and other procedures reported in the literature against experimental results is presented. From this exercise, it is concluded that there are still inaccuracies in the prediction of stud shear resistance in all analysed procedures and that improvements are needed.
Lee, Young Hak;Kim, Min Sook;Kim, Heecheul;Kim, Dae-Jin
Structural Engineering and Mechanics
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제52권4호
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pp.647-661
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2014
The use of steel-concrete composite members has been significantly increased as they have the advantages of the reduction of cross sectional areas, excellent ductility against earthquake loadings and a longer life span than typical steel frame members. The increased use of composite members requires an intensive study on the shear resistance evaluation of stud connectors in high strength concrete. However, the applicability of currently available standards is limited to composite members with normal and lightweight strength concrete. In this paper, push-out tests were performed on 24 specimens to investigate the structural behavior and shear resistance of stud connectors in high strength concrete. Test parameters include the existence of shear studs, height to diameter ratio of a shear stud, its diameter and concrete cover thickness. A shear resistance equation of stud connectors is proposed through a linear regression analysis based on the test results. Its accuracy is compared with those of existing shear resistance equations for studs in normal and lightweight concrete.
The static behavior of grouped large-headed studs (d = 30 mm) embedded in ultra-high performance concrete (UHPC) was investigated by conducting push-out tests and numerical analysis. In the push-out test, no splitting cracks were found in the UHPC slab, and the shank failure control the shear capacity, indicating the large-headed stud matches well with the mechanical properties of UHPC. Besides, it is found that the shear resistance of the stud embedded in UHPC is 11.4% higher than that embedded in normal strength concrete, indicating that the shear resistance was improved. Regarding the numerical analysis, the parametric study was conducted to investigate the influence of the concrete strength, aspect ratio of stud, stud diameter, and the spacing of stud in the direction of shear force on the shear performance of the large-headed stud. It is found that the stud diameter and stud spacing have an obvious influence on the shear resistance. Based on the test and numerical analysis results, a formula was established to predict the load-slip relationship. The comparison indicates that the predicted results agree well with the test results. To accurately predict the shear resistance of the stud embedded in UHPC, a design equation for shear strength is proposed. The ratio of the calculation results to the test results is 0.99.
This study was carried out to obtain basic information on racking resistance of shear walls and the factors affecting racking resistance of shear walls. Shear walls constructed by larch lumber nominal 50 mm × 100 mm framing and various sheathing materials were tested by applying monotonic and cyclic load functions. Shear walls with various stud spacing such as 305 mm, 406 mm, and 610 mm were tested under both of monotonic and cyclic loads and shear walls with various aspect (height-width) ratios were tested under cyclic load functions. The effect of hold-down connectors in shear walls was also tested under cyclic load functions. Racking resistance of shear walls has very close linear relation with stud spacing and width of shear walls. The ultimate racking strength of shear walls was reached at around or before the displacement of 20 mm. It was proposed in this study that the minimum racking strength and minimum width for shear wall be 500 kgf and 900 mm, respectively. Load-displacement curves obtained by racking tests under monotonic load functions can be represented by three straight line segments. Under cyclic load functions, envelope curves can be divided into three sections that can be represented by straight lines and the third section showed almost constant or decreasing slope.
Degtyarev, Vitaliy V.;Hicks, Stephen J.;Hajjar, Jerome F.
Steel and Composite Structures
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제43권3호
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pp.293-309
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2022
Accurate design models for predicting the shear resistance of headed studs in solid concrete slabs are essential for obtaining economical and safe steel-concrete composite structures. In this study, symbolic regression with genetic programming (GPSR) was applied to experimental data to formulate new descriptive equations for predicting the shear resistance of studs in solid slabs using both normal and lightweight concrete. The obtained GPSR-based nominal resistance equations demonstrated good agreement with the test results. The equations indicate that the stud shear resistance is insensitive to the secant modulus of elasticity of concrete, which has been included in many international standards following the pioneering work of Ollgaard et al. In contrast, it increases when the stud height-to-diameter ratio increases, which is not reflected by the design models in the current international standards. The nominal resistance equations were subsequently refined for use in design from reliability analyses to ensure that the target reliability index required by the Eurocodes was achieved. Resistance factors for the developed equations were also determined following US design practice. The stud shear resistance predicted by the proposed models was compared with the predictions from 13 existing models. The accuracy of the developed models exceeds the accuracy of the existing equations. The proposed models produce predictions that can be used with confidence in design, while providing significantly higher stud resistances for certain combinations of variables than those computed with the existing equations given by many standards.
This paper studies shear and tensile behaviors of headed stud connectors in double skin composite (DSC) structure. Firstly, 11 push-out tests and 11 tensile tests were performed to investigate the ultimate shear and tensile behaviors of headed stud in DSC shear wall, respectively. The main parameters investigated in this test program were height and layout of headed stud connectors. The test results reported the representative failure modes of headed studs in DSC structures subjected to shear and tension. The shear-slip and tension-elongation behaviors of headed studs in DSC structures were also reported. Influences of different parameters on these shear-slip and tension-elongation behaviors of headed studs were discussed and analyzed. Analytical models were also developed to predict the ultimate shear and tensile resistances of headed stud connectors in DSC shear walls. The developed analytical model incorporated the influence of the dense layout of headed studs in DSC shear walls. The validations of analytical predictions against 22 test results confirmed the accuracy of developed analytical models.
Headed studs welded to steel beams and embedded within the concrete of deck slabs are vital components of modern composite floor systems, where safety and economy depend on the accurate predictions of the stud shear resistance. The multitude of existing deck profiles and the complex behavior of studs in deck slab ribs makes developing accurate and reliable mechanical or empirical design models challenging. The paper addresses this issue by presenting a machine learning (ML) model developed from the natural gradient boosting (NGBoost) algorithm capable of producing probabilistic predictions and a database of 464 push-out tests, which is considerably larger than the databases used for developing existing design models. The proposed model outperforms models based on other ML algorithms and existing descriptive equations, including those in EC4 and AISC 360, while offering probabilistic predictions unavailable from other models and producing higher shear resistances for many cases. The present study also showed that the stud shear resistance is insensitive to the concrete elastic modulus, stud welding type, location of slab reinforcement, and other parameters considered important by existing models. The NGBoost model was interpreted by evaluating the feature importance and dependence determined with the SHapley Additive exPlanations (SHAP) method. The model was calibrated via reliability analyses in accordance with the Eurocodes to ensure that its predictions meet the required reliability level and facilitate its use in design. An interactive open-source web application was created and deployed to the cloud to allow for convenient and rapid stud shear resistance predictions with the developed model.
In order to study the shear mechanical behavior of prefabricated and assembled multi-key group stud connectors, this paper conducted push-out tests on 10 prefabricated and assembled multi-key group stud connectors, distributed in 5 groups, and detailed the failure modes of each specimen. Based on the finite element software, a total of 22 models of this type of stud connector are established, and validated the finite element models using the push-out tests. Furthermore, the effects of stud diameter, number of key groups, and spacing of key groups on the shear resistance of prefabricated and assembled multi-key group stud connectors are analyzed. Combined with the test and finite element, the force analysis is carried out for the stud and first-pouring and post-pouring concrete. The results show that the spacing and number of key groups have a significant impact on the shear capacity and shear stiffness of the specimen. For a single stud, the shear force is transferred to the surrounding concrete via the stud's root. When the stud is finally cut, the steel and the concrete plate are separated. Under vertical shear force, the top row of studs experiences the highest shear, while the middle row has the least. Based on statistical regression, a formula of assembled multi-key group stud connectors is proposed.
Hybrid-fiber reinforced concrete (HFRC) may provide much higher tensile and flexural strengths, tensile ductility, and flexural toughness than normal concrete (NC). HFRC slab has outstanding advantages for use as a composite bridge potential deck slab owing to higher tensile strength, ductility and crack resistance. However, there is little information on shear connector associated with HFRC slabs. To investigate the mechanical behavior of the stud shear connectors embedded in HFRC slab, 14 push-out tests (five batches) in HFRC and NC were conducted. It was found that the stud shear connector embedded in HFRC had a better ductility, higher stiffness and a slightly larger shear bearing capacity than those in NC. The experimentally obtained ultimate resistances of the stud shear connectors were also compared against the equations provided by GB50017 2003, ACI 318-112011, AISC 2011, AASHTO LRFD 2010, PCI 2004, and EN 1994-1-1 (2004), and an empirical equation to predict the ultimate shear connector resistance considering the effect of the HFRC slabs was proposed and validated by the experimental data. Curve fitting was performed to find fitting parameters for all tested specimens and idealized load-slip models were obtained for the specimens with HFRC slabs.
As a type of bolt with a spherical head, the ball stud is widely used as a part of a ball joint in steering or suspension systems in automobiles. Balls and studs are subjected to heat treatment suitable for each material; in particular, the shear strength of the ball stud must meet the specifications of the production company. This study evaluated the shear strength of joints according to the cooling method of ball studs subject to resistance welding. The shear stress of water cooling was higher than that of air cooling (as-received material). Note, however, th at oil cooling showed lower stress than that of as-received. When judged by standard deviation, mean, and coefficient of variation according to the arithmetic statistics and shape parameter as well as scale parameter, oil cooling is suitable.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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