background image

 

 

 

Y

UTA 

N

AGAO

k824825@kansai-u.ac.jp 

K

ENTARO 

M

ATSUMOTO

 

M

ASAHIRO 

S

AKANO

peg03032@nifty.com 

Department of Civil and Environmental Engineering, Kansai Universit

H

IRONORI 

N

AMIKI

,  

Kyobashi Mentec Ltd. 

STEEL PLATE PRE-STRESSING REINFORCEMENT FOR COPED 

STEEL GIRDER ENDS  

WZMOCNIENIE PRZEZ WSTĘPNE SPRĘśENIE NAKŁADKI STALOWEJ 

STOSOWANE W DŹWIGARACH STALOWYCH 

Z PODCIĘTĄ STREFĄ PODPOROWĄ 

Abstract  In  this  study,  the  fatigue  reinforcing  effect  of  coped  steel  girder  end  reinforced  by  the  steel 
plate  pre-stressing  method  is  investigated through loading tests.  The principal  results obtained through 
this  study  are  as  follow;  it  was  verified  that  sufficient  compressive  pre-stress  can  be  introduced  into 
the web  in  the  coped  girder  end  using  the  steel  plate  pre-stressing  method.  So,  it  is  expected  this 
reinforcing effect that fatigue crack is prevented from propagating to the web. 

 

Streszczenie  W  niniejszym  studium  przedstawiono  badanie  za pomocą  obciąŜeń  próbnych  dźwigarów 
stalowych  z  podciętą  strefą  podporową,  w  których  zastosowano metodę  wstępnego  spręŜenia nakładki 
stalowej w celu uzyskania wzmocnienia na zmęczenie. Zasadnicze efekty uzyskane na podstawie badań 
są następujące: potwierdzono, Ŝe wystarczające wstępne spręŜenie ściskające moŜe zostać wprowadzone 
do  środników  dźwigara  o  podciętej  strefie  podporowej  stosując  metodę  wstępnego  spręŜenia  nakładek 
stalowych. Przewiduje się, Ŝe ten sposób wzmocnienia pozwoli zapobiec propagacji pęknięć zmęczenio-
wych w środniku. 

1. Introduction 

 

Recently,  it  has  been  voluminously  reported  that  fatigue  cracks  have  been  detected  at 

coped  steel  girder  ends,  which  were  reinforcing  by  using  ribbed  steel  plate.  However, 
the conventional  reinforcement  method  has  the  case  that  the  size  of  the  reinforcing  plate 
cannot always be sufficient, due to limited little space in the coped steel girder end. And it 
has also case that sufficient friction grip connection can not be produced by the reinforcing 
plate  rib  when  the reinforcing  plate  is  fixed  on  to  the  web.  So,  it  has  been  reported  that 
fatigue cracks were again propagated after reinforcement. 
 

In  the  previous  study,  we  proposed  the  steel  plate  pre-stress  reinforcement  method 

for coped girder end as an alternative for conventional method. Steel plate pre-stress reinfor-
cement method fixes angle iron on the web of coped girder end and bottom flange by high-
strength bolts, and introduce compressive pre-stress into the web. This reinforcement effect 
can be expected to the prevention of fatigue crack. And, it is shown to be more effective than 
conventional  reinforcement.  However,  this  reinforcement  method  cannot  show  enough 
reinforcement effects depending on the development direction of the fatigue crack.  

background image

842 

Nagao Y. i inni:

 Steel plate pre-stressing reinforcement for coped steel girder ends 

 

 

 

In  this  study,  the  fatigue  reinforcing  effect  of  coped  steel  girder  end  reinforced  by 

the steel plate pre-stressing method is investigated through static loading tests.  

2. Steel plate pre-stressing reinforcement 

 

Fig.  1  shows  the  fatigue  crack  and  the  principal  stress  distribution  in  the  coped  steel 

girder end in the previous study. In the coped steel girder specimen, the fatigue crack occurs 
from the fillet weldment between bottom flange and web of coped corner, and propagates to 
the web.  The  direction  of  fatigue  crack  propagation  in  the  web  is  almost  perpendicular  to 
the direction of maximum principal stress. 
 

Steel plate pre-stress reinforcement is that fatigue crack is prevented that fatigue crack by 

introducing  compressive  stress  perpendicular  to  the  direction  of  propagating  crack  at 
the web.  Previous  steel  plate  pre-stress  reinforcement  method  could  not  be  introduced 
compressive  stress  perpendicular  to  the  direction  of  propagating  crack  at  the  web,  because 
angle steel of the reinforcing member is installed both web and bottom flange. 

 

Fig. 1. The fatigue crack and the principal stress distribution in the previous study 

In  the  reinforcing  method  of  this  study,  small  steel  plates  as  reinforcing  members  are 
installed on the face and back of the web, and compressive stress introduced perpendicular to 
the  direction  of  propagating  crack  at  the  web.  Hence,  reinforcing  plate  fixes  on  45  degrees 
that is referred to the course of fatigue crack of coped girder end by other study.

1)

 

background image

Konstrukcje stalowe 

843 

 

 

 

 

Fig. 2. Basic concept of steel plate pre-stress reinforcing method for the coped steel girder end 

3. Experiment method 

3.1 Specimen 

 

Fig.  3  shows  the  configuration  and  dimensions  of  the  coped  steel  girder  specimen. 

The specimen  was  designed  the  girder  ends  with  the  coped  corner  (radius  of  50  mm). 
The material used was JIS SM400 Steel.  

 

Fig. 3. Coped steel girder specimen

 

3.2 Flat bar pre-stressing method 

 

Fig.  4  shows  the  reinforcing  coped  steel  girder  specimen.  Reinforcing  plate  used  JIS 

SM400  steel,  and  this  size  was  80×19×540  mm.  Reinforcing  plate  is  fixed  on  both  sides 
of web using  high strength bolts. And filler plate used between  web and steel plate by  way 
of strain gauge.  

background image

844 

Nagao Y. i inni:

 Steel plate pre-stressing reinforcement for coped steel girder ends 

 

 

 

Fig.4. Reinforcing the coped steel girder specimen 

 

Pre-stress  is  introduced  by  heating  and  cooling  process.  Pre-stressing  processes  are 

as follows (see Fig. 5): 

 

Fig. 5. Pre-stress reinforcing method 

STEP1: One end of reinforcing plate fixed on the web using high strength bolts. 
STEP2: Heat the reinforcing plate using gas burners. 

background image

Konstrukcje stalowe 

845 

 

 

 

STEP3: When  steel  plate  elongation  reaches  the  expected  value,  another  end  of reinfor-

cing plate installed on the web. 

STEP4: Cool  the  reinforcing  plate.  During  cooling  processes,  tensile  stress  should  be 

introduced into the reinforcing plate and compressive stress should be introduced 
into the web. 

 

The steel plate elongation was monitored and controlled by using a dial mater. 

3.3 Loading Condition 

 

In the loading condition, the specimen is simply supported and loaded at the point of 2/5 

of the  span  so  that  a  sufficient  shearing  force  and  bending  moment  can  be  applied  in 
the coped steel girder end. The maximum load is set to 300 kN, so that the maximum stress 
which  occurs  in  the  bottom  flange  may  remain  within  the  static  allowable  stress  for 
the material. The loading load range is ∆280 kN. 

4. Experimental results 

4.1 Introduced Pre-stress 

 

Fig.  6  shows  the  introduced  pre-stress  distribution  in  the  web  near  coped  corner. 

Compressed pre-stress in the web have been introduced to parallel with the steel plate. Pre-
stress  have  been  decrease  slowly  as  separated  from  the  reinforcing  plate.  It  was  confirmed 
that pre-stress of the compression introduced into the direction of reinforcing bar. 

 

Fig. 6. Pre-stress distribution (∆L

= 0.5 mm, pre-stress of bar P = 266 kN) 

 

Fig.  7  shows  the  relationship  of  pre-stress  between  web  and  reinforcing  plate.  Fig.  8 

shows the relation between pre-stress in the web and extend of steel reinforcing plate. 
 

Introduced  pre-stress  of  the  web  and  steel  reinforcing  bar  become  the  linear  relation. 

These relations are making follow: 

background image

846 

Nagao Y. i inni:

 Steel plate pre-stressing reinforcement for coped steel girder ends 

 

 

 

In  this  reinforcing  specimen,  extend  of  reinforcing  plate  is  decided  by  understanding 

a necessary introduction pre-stress to the web. 

 

Fig. 7. Relationship of pre-stress between web and reinforcing plate 

 

Fig. 8. Relation between pre-stress in the web and extend of reinforcing plate 

4.2 Steel plate pre-stressing reinforcement effect 

 

Fig.  9  shows  the  principal  stress  distributions  in  the  web  near  the  coped  corner  when 

maximum  loading.  Before  reinforcement  (Fig.  9a),  the  principal  stress  near  coped  corner 
becomes  tensile  stress.  In  the  conventional  steel  plate  reinforcement  (Fig.  9b),  maximum 
principal stress have decreased throughout the  web. In the  specimen  with steel flat bar pre-

background image

Konstrukcje stalowe 

847 

 

 

 

stressing  reinforcement  (Fig.  9c),  the  maximum  principal  stress,  these  have  made  fatigue 
cracking, has change compressive stress by the introduced pre-stress. For these above, when 
the  fatigue  crack  in  the  weld  propagated  to  the  web,  steel  plate  pre-stressing  reinforcement 
have  expected  the  prevention  of  girder  breaking  because  of  the  prevention  of  development 
cracking under the reinforcing plate. 

 

Fig. 9. Principal stress distribution: a) Before Reinforcement 

 

Fig. 9. Principal stress distribution: b) Steel Plate Reinforcement 

background image

848 

Nagao Y. i inni:

 Steel plate pre-stressing reinforcement for coped steel girder ends 

 

 

 

 Fig. 9 Principal stress distribution: c) Steel Plate Pre-stressing Reinforcement 

5. Conclusions 

 

The principal results obtained through this study are as follow. 

It  was  verified  that  sufficient  compressive  pre-stress  can  be  introduced  into  the  web  in 
the coped  girder  end  using  the  steel  plate  pre-stressing  method.  So,  it  is  expected  this 
reinforcing effect that fatigue crack is prevented from propagating to the web. 

References 

1.  K.Matsumoto,  H.Takahashi,  M.Sakano,  and  H.Namiki(2006):  The  Proposal  of  more  effective 

reinforcement method for coped steel girder ends, JSCE (in Japan) 

2.  K.Matsumoto,  M.Sakano,  and  H.Namiki(2007):  Steel  plate  Pre-stressing  Reinforcement  For 

Notched Steel Girder ends, Structural Failures, Mięzyzdroje, Poland.