Numerical Comparison of Concrete Encased Steel Composite Columns with Finite Element Analysis

Abstract

In this study, four prototypical design examples were developed to investigate the behavior and design requirements for concrete-encased composite columns. All columns are square with a fixed transverse reinforcing bar arrangement but with different encased shapes with structural steel ratios of %1, 2, 4 and 8. The longitudinal reinforcing bars were chosen four different diameters of ϕ16, ϕ 20, ϕ24 and ϕ30. Four concrete strengths used fck= 40, 50, 60 and 70 MPa represent low, medium, and high-strength concrete, respectively. Firstly, for each model, moment-axial force interaction graphs defined in Design, Calculation, and Construction of Steel Structures (ÇYTHYE-2016) and American Institute of Steel Construction (AISC 360-16) standards were obtained. The maximum axial compression force it can carry for each different group has been calculated from these graphs. The axial pressure forces, displacements, strains, yield points of concrete, structural steel, and longitudinal reinforcement in the created models were obtained using the ANSYS finite element program. It was observed that as the concrete pressure value increased, the axial carrying capacity increased. Still, the bending moment value was very close to each other, and when only the steel ratio was changed, the bending moment values where the axial compressive strength remained constant. The maximum axial pressure force value calculated using the empirical expressions given in the regulations and the values obtained from ANSYS are compatible with each other. The most important result of the analysis is that the steel profile used in steel embedded sections can be used ultimately.

Keywords

• Composite Column
• Finite Element Method
• Reinforcement Ratio
• Axial Load Capacity

Çelik Gömmeli Kompozit Kolonların Sonlu Elemanlar Analizi ile Sayısal Karşılaştırılması

Abstract

Bu çalışma, çelik gömmeli kompozit kolonların, beton dayanımı ile boyuna donatı oranının değişimine göre eksenel basınç kuvveti etkisindeki davranışını açıklamaktadır. Bu sebeple, dört farklı boyuna donatı (ϕ16-20-24-30), beton sınıfı (C40-50-60-70) ve yapısal çelik yüzdesi (%1-2-4-8) için on altı farklı grup olmak üzere toplamda altmış dört model oluşturulmuştur. Her bir model için önce Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapımına Dair Esasları (ÇYTHYE-2016) ve American Institute of Steel Construction (AISC 360-16) standartlarında tanımlanan eksenel kuvvet-moment etkileşim grafikleri elde edilmiştir. Bu grafiklerden her farklı grup için taşıyabileceği maksimum eksenel basınç kuvveti hesaplanmıştır. Oluşturulan modellerdeki beton, yapısal çelik ve boyuna donatıya ait eksenel basınç kuvvetleri, yerdeğiştirmeler, şekil değiştirmeler, akma noktaları ANSYS sonlu elemanlar programı kullanılarak elde edilmiştir. Beton basınç değeri arttıkça eksenel taşıma kapasitesinin arttığını fakat eğilme momenti değerinin birbirlerine çok yakın gerçekleştiği ve sadece çelik oranı değiştirildiğinde ise eksenel basınç dayanımının sabit kaldığı, eğilme moment değerlerinin arttığı görülmüştür. Yönetmeliklerde verilen ampirik ifadeler kullanılarak hesaplanan en büyük eksenel basınç kuvveti değeri ile ANSYS’den elde edilen değerler birbirleri ile uyumlu çıkmışlardır. Analizlerin göstermiş olduğu en önemli sonuç çelik gömmeli kesitlerde kullanılan çelik profilin taşıma kapasitesinin tamamının kullanılabildiğidir.

Keywords

• Kompozit Kolon
• Sonlu Eleman Analizi
• Donatı Oranı
• Eksenel Basınç Kuvveti

References

1. [1] Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik, 2016.
2. [2] ANSYS, ANSYS User’s Manual Revision 19.0, ANSYS, Inc., USA, 2019.
3. [3] D. Tjitradi, E. Eliatun ve S. Taufik, “3D ANSYS Numerical Modeling of Reinforced Concrete Beam Behavior under Different Collapsed Mechanisms,” International Journal of Mechanics and Applications, c. 7, s. 1, ss. 14-23, 2017.
4. [4] S. Taufik, G. Utomo ve A. Sugianto, “Behavior of filled and encased composite column using 3D numerical modelling ANSYS,” International Journal of Composite Materials, c. 8, s. 1, ss. 18-23, 2018.
5. [5] E. Ellobody, B. Young ve D. Lam D, “Eccentrically loaded concrete encased steel composite columns,” Thin-Walled Structures, c. 49, s. 1, ss. 53–65, 2011.
6. [6] D. Ertürkme, C. Dündar ve S. Tokgöz, “Karbon Lifli Polimer Sargılı Narin Betonarme Kolonların Moment Büyütme Yöntemi ile Analizi,” Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 31, s. 1, ss. 11-21, 2016.
7. [7] T. Stolarski, Y. Nakasone ve S. Yoshimoto, “Application of ANSYS to stress analysis”, Engineering Analysis with ANSYS Software, Linacre house, Oxford, 1st Edition, Elsevier Butterworth, 2006, ss. 51-142.
8. [8] S. Taufik ve B. Tjahjono, “3D ANSYS Modeling behaviour of encased steel composite column with wide flange and hollow section,” International Journal of Mechanics and Applications, c. 9, s. 1, ss. 10-18, 2019.

9. [9] T. Kartheek ve T.V. Das, “3D modelling and analysis of encased steel-concrete composite column using ABAQUS,” Materials Today: Proceedings, c. 27, s. 2, ss. 1545-1554, 2020.
10. [10] K.S. Virdi ve P.J. Dowling, “The ultimate strength of composite columns in biaxial bending,” Proceedings Institution of Civil Engineers, c. 55, s. 1, ss. 251–72, 1973.
11. [11] P.R. Munoz ve C.T. Hsu, “Behaviour of biaxially loaded concrete-encased composite columns,” Journal of Structural Engineering, ASCE, c. 123, s. 9, ss. 1163–1171, 1997.
12. [12] C.C. Chen ve N.J. Lin, “Analytical model for predicting axial capacity and behavior of concrete encased steel composite stub columns,” Journal of Constructional Steel Research, c. 62, s. 5, 424–433, 2006.
13. [13] E. Ellobody ve B. Young, “Numerical simulation of concrete encased steel composite columns,” Journal of Constructional Steel Research, c. 67, s. 2, 211–222, 2011.
14. [14] B. Lai, J.Y. Richard Liew ve S. Li, “Finite element analysis of concrete-encased steel composite columns with off-center steel section,” 12th International Conference on Advances in Steel-Concrete Composite Structures, ss. 27-29, 2018.
15. [15] D.H Nguyen ve W.K. Hong, “An analytical model computing the flexural strength and performance of the concrete columns confined by both transverse reinforcements and steel sections,” Journal of Asian Architecture and Building Engineering, c. 19, s. 6, ss. 647-66, 2020.
16. [16] B. Lai ve J.Y. Richard Liew, “Axial-moment interaction of high strength concrete encased steel composite columns: Design recommendation,” Journal of Constructional Steel Research, c. 170, s. 7, ss. 106136, 2019.
17. [17] O. Düğenci, “Artı kesitli çekirdeğe sahip burkulması önlenmiş basınç çubuklarının eksenel yük altında deneysel ve numerik araştırılması,” Doktora tezi, Fen Bilimler Enstitüsü, Erciyes Üniversitesi, Kayseri, Türkiye, 2015.
18. [18] I. Montava, R. Irles, J. Segura, J. M. Gadea ve E. Juliá “Numerical simulation of steel reinforced concrete (SRC) joints,” Metals, c. 9, s. 2, ss. 131, 2019.
19. [19] S. Kedziora ve M. O. Anwaar, “Concrete-filled steel tubular (CFTS) columns subjected to eccentric compressive load,” Proceedings of the 15th Stability of Structures Symposium, ss. 20004, 2019.
20. [20] F. P. M. Quevedo, R. J. Schmitz, I. B. Morsch, A. C. Filho, D. Bernaud, “Customization of a software of finite elements to analysis of concrete structures: long-term effects,” Ibracon structures and materials journal, c. 11, s. 4, ss. 696-718, 2018.
21. [21] S. B. Krylov, V. I. Travush, A. S. Krylov ve D. V. Konin, “Contact technologies in design of reinforced concrete beams with cracks,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, ss. 456, 2018.
22. [22] ANSI/AISC 360-16-Specification for structural steel buildings. American Institute of Steel Construction (AISC), 2016.
23. [23] X. Yun and L. Gardner L, “Stress-strain curves for hot-rolled steels,” Journal of Constructional Steel Research, c. 133, s. 6, ss. 36–46, 2017.
24. [24] E. Hognestad, N.W. Hanson and DMchenry, “Concrete Stress Distribution in Ultimate Stress Design,” ACI Journal, c. 27, s. 4, ss. 455-479, 1955.
25. [25] H.B. Özmen, M. İnel and H. Bilgin, “Sargılı beton davranışının betonarme eleman ve sistemdavranışına etkisi,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 22, s. 2, ss. 375- 383, 2007.
26. [26] Eurocode 4 : Design of composite steel and concrete structures-Part 1- 1. General rules and rules for buildings, EN 1994-1-1, 2004.