Structural Response of Composite Reinforced Concrete Deck-Cold Formed Steel Beam to Column Semi-Rigid Connections

الموضوعات

علوم تطبيقية وتكنولوجية

الملخص

Designers have recognized the benefits of designing semi-rigid connections. It decreases beam weight, reduces beam depth, overall building height, and increases energy absorption. In addition, cold-formed steel (CFS) is becoming more popular in several countries, indicating good potential for using lightweight materials as an alternative to conventional steel. However, there is still a scarcity of data on joint behavior, particularly for composite connections integrated with CFS, which gives more motivation to study this type of composite joint. A composite beam-to-column semi-rigid joint formed by a composite concrete slab and two cold-formed steel C-sections as a beam and column is investigated experimentally in this study. Thirteen specimens with cruciform subassemblies of CFS beam-to-column joints are tested experimentally with a novel approach to different beam-to-column connection shapes and different types and degrees of the shear connector. In addition, nine push-out test specimens are prepared to investigate the shear strength, stiffness, and ductility of the bolted shear connector with a single embedded nut and CFS plate shear connectors, such as single plate, single angle, single corrugated, and double angle plate, that are used in composite joint specimens. The experimental study is divided into three parts: the experimental test of push-out specimens; the experimental test of three trial composite joints with minimum reinforcement and 300 mm slab width; and the experimental test of ten main composite joints reinforced by Ø10 @ 100 mm in both directions and 750 mm slab width with different beam-to-column connection shapes, tested under monotonic and cyclic load and different types and degrees of the shear connector; and a numerical study. The results show that tested specimens with beam-to-column joints connected by angles in the main composite joint group possessed high ductile properties, where the rotation capacity exceeded 30 mrad. Hence, all these specimens classify as semi-rigid joints according to Eurocode 4 (EC4) and are adequate for plastic analysis and seismic design. While a back-to-back web connection forming a box column section increased the ultimate load by 33% and decreased the rotation capacity by 76%. In contrast, the specimen with a back-to-back web connection forming a box beam section increased the ultimate load by 90% and decreased the rotation capacity by 78% compared to the specimen with an I-section shape for the beam and column connected by angles. On the other hand, the cyclic load has little effect on the ultimate moment capacity of composite joints, but it greatly increases their rotation capacity. The suggested composite cold-formed steel beam-to-column connection shapes are effective in terms of stiffness and ultimate moment capacity. Also, using a novel approach to the CFS angle plate shear connector showed a significant improvement in the moment and initial stiffness of the joint. The partially bolted shear connector used in this study, up to 50% of which is fully shear connected, produced acceptable results and is within the recommended limits for semi-rigid joints according to the European Code. The analytical study uses the finite element method, which investigates the nonlinear behavior of composite joints. The analytical models are carried out using ABAQUS Standard/Explicit 2017. The results of finite element models include the deformed shape at ultimate load and the moment-rotation curves. The finite element model results show good agreement with the experimental results. The program's ability to extend the study provides more insights into understanding the actual behavior of composite joints. In this thesis, a parametric analysis is performed to investigate a wide range of the main variables (top and seat angle thickness, reinforcing ratio, use of stiffener in the column web, column shape, and the number of bolts). It is concluded from the parametric study that the used angle with a thickness-to-width ratio equal to 0.092 improves the moment capacity of a composite joint by 17.3%, and the use of a stiffener in the column web improves the moment capacity by 42.65% and prevents the buckling of the column web while maintaining a semi-rigid behavior of the joint.

روابط وملفات

التعريف والنوع

رقم الوثيقة

0ea92fd3-0411-4bb3-802e-30b721d31a3f

رقم العقد

0

نوع الوسائط

Crawler

نوع المحتوى

الرسائل العلمية

صيغة المصدر

رسائل دكتوراة

نوع الملف

pdf text

أسماء الملفات

994359_1.pdf

بيانات النشر

ترجمة العنوان

الاستجابة الإنشائية لبلاطات خرسانية مسلحة مركبة ذات مقطع عتب الى عمود من الحديد المشكل على البارد ذو مفاصل شبه جاسئة

ألقاب المؤلفين

[{"name_ar":"مصطفى صلاح شاكر محمود","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"},{"name_ar":"هيثم حسن متعب الدعمي","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"}]

اللغة

English

المصدر والدورية

اسم المصدر

Structural Response of Composite Reinforced Concrete Deck-Cold Formed Steel Beam to Column Semi-Rigid Connections

المحتوى والصفحات

عدد الصفحات

0

ترجمة الملخص

أدرك المصممون فوائد تصميم الروابط شبه الجاسئة حيث انها تقلل من وزن وعمق العتب، ارتفاع المبنى الكلي ويزيد من امتصاص الطاقة. وبالإضافة إلى ذلك، فأن الحديد المشكل على البارد (CFS) أصبح أكثر شيوعًا في العديد من البلدان، مما يشير إلى إمكانية جيدة لاستخدام مواد خفيفة الوزن كبديل لمقاطع الحديد التقليدية. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة الى مزيد من البيانات المتعلقة بسلوك المفاصل المركبة، خاصة بالنسبة للروابط المركبة المكونة من CFS، مما يعطي المزيد من الحافز لدراسة هذا النوع من المفاصل المركبة. تقدم هذه الدراسة اختبارا تجريبيًّا لمفصل عتب الى عمود شبه جاسئ يتكون من بلاطة خرسانية مركبة ومقطعين من الفولاذ المُشكل على البارد على شكل C للعتب والعمود. تم اختبار ثلاث عشرة نموذجاً ذو تجميعات فرعية صليبية من مفاصل الحديد المشكل على البارد لمقطع العتب إلى العمود بشكل تجريبي باستخدام نهج جديد لأشكال الربط المختلفة للعتب إلى العمود، وأنواع ودرجات مختلفة من روابط القص. بالإضافة إلى ذلك، تم إعداد تسع عينات للتحقيق في قوة القص والصلادة والمطيلية لروابط القص المثبت ببراغي مع صامولة واحدة مدمجة وروابط القص المكونة من الحديد المشكل على البارد، مثل صفيحة مفردة، زاوية مفردة، وصفيحة مموجة مفردة وصفيحة مزدوجة الزاوية، التي تستخدم في عينات المفصل المركب. تنقسم الدراسة إلى أربعة أجزاء: الاختبار التجريبي لعينات فحص القص المباشر. الاختبار التجريبي لثلاثة مفاصل مركبة تجريبية مسلحة بأدنى نسبة لحديد التسليح وعرض البلاطة 300 ملم؛ الاختبار التجريبي لعشرة مفاصل مركبة رئيسية مسلحة بحديد قطر10 ملم وبأبعاد 100ملم في كلا الاتجاهين وعرض البلاطة 750 ملم وبأشكال روابط مختلفة من العتب إلى العمود تم اختبارها تحت حمل رتيب ودوري وأنواع ودرجات مختلفة من موصل القص؛ وطريقة العناصر المحدودة. أظهرت النتائج أن العينات المختبرة ذات وصلات العتب إلى العمود المتصلة بزوايا في مجموعة المفاصل المركبة الرئيسية تمتلك خصائص مطيلية عالية حيث تجاوزت قدرة الدوران 30 ميلي راديان. وبالتالي، فإن جميع هذه العينات المقترحة تصنف على أنها مفاصل شبه جاسئة وفقًا لمحددات المواصفات الاوربية وهي مناسبة للتحليل المرن والتصميم الزلزالي. في حين أن الاتصال المباشر بين العتب والعمود والذي يشكل مقطع صندوقي للعمود أدى إلى زيادة الحمل الاقصى بنسبة 33٪ ونقصان في قدرة الدوران بنسبة 76٪. في حين، فإن العينة ذات اتصال المباشر بين العتب والعمود وتشكل مقطعًا صندوقي للعتب زادت الحمل الاقصى بنسبة 90٪ وقللت من قدرة الدوران بنسبة 78٪ مقارنةً بالعينة ذات المقطع I للعتب والعمود المرتبطة من خلال استخدام الزوايا. من ناحية أخرى، فإن الحمل الدوري له تأثير ضئيل على التحمل الاقصى للمفاصل المركبة، ولكنه يزيد بشكل كبير من قيمة الدوران. تعتبر أشكال الروابط المركبة لمقطع العتب إلى العمود الفولاذي المشكل على البارد المقترحة فعالة من حيث الصلابة وسعة العزم النهائية. أيضًا، باستخدام نهج جديد لروابط القص المكون من صفيحة على شكل زاويا مشكلة على البارد أظهرت تحسنًا كبيرًا في العزم والصلابة الأولية للمفصل. اظهر استخدام روابط القص المثبت ببراغي مع صامولة واحدة مدمجة لتكوين ربط جزئي بين البلاطة والعتب في هذه الدراسة، والذي يصل إلى حد 50٪ مقارنة مع الربط الكامل، إلى نتائج مقبولة وكان ضمن الحدود الموصى بها للوصلات شبه الجاسئة وفقًا للمدونة الأوروبية. الجزء الأخير من الدراسة هو دراسة تحليلية باستخدام طريقة العناصر المنتهية، والتي تبحث في السلوك غير الخطي للروابط المركبة. تم تمثيل العينات باستخدام برنامج ABAQUS Standard / Explicit 2017. حيث تتضمن نتائج نماذج العناصر المنتهية شكل الفشل عند التحميل الاقصى ومنحنيات العزم- الدوران. أظهرت النتائج التحليلية توافق جيد مع النتائج التجريبية مما يعطي انطباع عن قدرة البرنامج على توسيع الدراسة للحصول على المزيد من النتائج لفهم السلوك الفعلي للروابط المركبة. في هذه الدراسة، تم دراسة العديد من المتغيرات للتحقيق في مجموعة واسعة من المتغيرات الرئيسية (سمك الزاوية العليا والسفلى، نسبة حديد التسليح، واستخدام تقوية في شبكة العمود، وشكل العمود، وعدد البراغي). استنتج من دراسة هذه المتغيرات أن الزاوية المستخدمة بنسبة سمك الى عرض تساوي 0.092 تعمل على تحسين مقدار العزم للروابط المركبة بنسبة 17.3%، كما أن استخدام التقوية في شبكة العمود يحسن من مقدار العزم بنسبة 42.65% ويمنع التواء شبكة العمود مع الحفاظ على سلوك شبه جاسئ للمفصل.

كلمات الباحثين

Semi-rigid joints, Cold-formed steel, Composite beam-to-column connection, Shear connector, Moment-rotation behavior, Finite element analysis

إشراف وإعداد

الإشراف

هيثم حسن متعب الدعمي

الإعداد

مصطفى صلاح شاكر محمود

الاقتباسات الببليوغرافية