Reinforced concrete (RC) beam column joints (BCJ) have mostly exhibited poor seismic performance during several past earthquakes, typically due to the poor-quality concrete or lack of reinforcement detailing typical of pre-code design practice. The present study is motivated towards numerical simulation and seismic fragility assessment of one such RC-BCJ. The BCJ is loaded to failure and strengthened using Ultra High Performance-Hybrid Fiber Reinforced Concrete (UHP-HFRC) jacketing. The strengthening is performed for four different BCJ specimens, each representing an intermediate damage state before collapse. viz., slight, moderate, severe, and collapse. From the numerical simulation of all the BCJ specimens, an attempt is made to correlate different modelling and design parameters of the BC joint with respect to the damage states. In addition, seismic fragility analysis of the original as well as the retrofitted damaged BCJ specimens show the relative enhancement achieved in each case.
This paper presents investigation into the behavior of beam-column joints, with the joint region concrete being replaced by steel fiber reinforced concrete (SFRC) and by ultra-high performance concrete (UHPC). A total of ten beam-column joint specimens (BCJ) were tested experimentally to failure under monotonic and cyclic loading, with the beam section being subjected to flexural loading and the column to combined flexural and axial loading. The joint region essentially transferred shear and axial stresses as received from the column. Steel fiber reinforced concrete (SFRC) and ultra-high performance concrete (UHPC) were used as an innovative construction and/or strengthening scheme for some of the BCJ specimens. The reinforced concrete specimens were reinforced with longitudinal steel rebar, 18 mm, and some specimens were reinforced with an additional two ties in the joint region. The results showed that using SFRC and UHPC as a replacement concrete for the BCJ improved the joint shear strength and the load carrying capacity of the hybrid specimens. The mode of failure was also converted from a non-desirable joint shear failure to a preferred beam flexural failure. The effect of the ties in the SFRC and UHPC joint regions could not be observed due to the beam flexural failure. Several models were used in estimating the joint shear strength for different BCJ specimens. The results showed that the existing models yielded wide-ranging values. A new concept to take into account the influence of column axial load on the shear strength of beam-column joints is also presented, which demonstrates that the recommended values for concrete tensile strength for determination of joint shear strength need to be amended for joints subject to moderate to high axial loads. Furthermore, finite element model (FEM) simulation to predict the behaviour of the hybrid BCJ specimens was also carried out in an ABAQUS environment. The result of the FEM modelling showed good agreement with experimental results.
Halahla, Abdulsamee M.;Rahman, Muhammad K.;Al-Gadhib, Ali H.;Al-Osta, Mohammed A.;Baluch, Mohammed H.
Earthquakes and Structures
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v.17
no.4
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pp.337-354
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2019
This paper presents the results of experimental and numerical studies conducted to investigate the behavior of exterior reinforced concrete beam column joints (BCJ) strengthened by using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets. Twelve reinforced concrete beam-column joints (BCJ) were tested in an experimental program by simulating the joints in seismically deficient old buildings. One group of BCJs was designed to fail in flexure at the BCJ interface, and the second group was designed to ensure joint shear failure. One specimen in each set was -retrofitted with CFRP sheet wrapped diagonally around the joint. The specimens were subjected to both monotonic and cyclic loading up to failure. 3D finite element simulation of the BCJs tested in the experimental program was carried out using the software ABAQUS, adopting the damage plasticity model (CDP) for concrete. The experimental results showed that retrofitting of the shear deficient, BCJs by CFRP sheets enhanced the strength and ductility and the failure mode changed from shear failure in the joints to the desired flexural failure in the beam segment. The FE simulation of BCJs showed a good agreement with the experimental results, which indicated that the CDP model could be used to model the problems of the monotonic and cyclic loading of beam-column reinforced concrete joints.
Halahla, Abdulsamee M.;Tahnat, Yazan B. Abu;Dwaikat, Monther B.
Earthquakes and Structures
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v.22
no.3
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pp.231-243
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2022
Beam-column joints (BCJs) are recognized among the most crucial zones in reinforced concrete structures, as they are the critical elements subjected to a complex state of forces during a severe earthquake. Under such conditions, BCJs exhibit behaviors with impacts that extend to the whole structure and significantly influence its ductility and capability of dissipating energy. The focus of this paper is to investigate the effect of undamaged transverse beam (secondary beams) on the ductility of concrete BCJs reinforced with conventional steel and shape memory alloys bars using pushover analysis at tip of beam under different axial load levels at the column using a nonlinear finite element model in ABAQUS environment. A numerical model of a BCJ was constructed and the analysis outcomes were verified by comparing them to those obtained from previous experiments found in the literature. The comparison evidenced the capability of the calibrated model to predict the load capacity response of the joint. Results proved the ability of undamaged secondary beams to provide a noticeable improvement to the ductility of reinforced concrete joints, with a very negligible loss in load capacity. However, the effect of secondary beams can become less significant if the beams are damaged due to seismic effects. In addition, the axial load was found to significantly enhance the performance of BCJs, where the increase in axial load magnified the capacity of the joint. However, higher values of axial load resulted in greater initial stiffness of the BCJ.
This is a preliminary study on the development of precast beam-column joints for dry construction methodology. Precast beam column joints with thru-connectors (BCJ_TC) using high strength bars or PS strands were developed and their seismic performance including strength degradation, stiffness degradation and energy dissipation capacity was experimentally evaluated. Test results showed that compressive failures at the end blocks of PC beam members occurred dominantly while PC columns including panel zones were free from any damage. However, the connections confined with CFRP at the end block showed much improved seismic performance than that of the unconfined connections. Connections with neoprene pad fillers between beam and column interfaces were better than the other connections in all the seismic performances except initial stiffness. To improve the seismic performances of BCJ_TC, compressive strength of the concrete at the end block need to be increased to compensate for the additional compressive stresses due to unbonded connectors and deformation of connectors should be controlled respectively.
Large-scale earthquakes pose serious threats to infrastructure causing substantial damage and large residual deformations. Superelastic (SE) Shape-Memory-Alloys (SMAs) are unique alloys with the ability to undergo large deformations, but can recover its original shape upon stress removal. The purpose of this research is to exploit this characteristic of SMAs such that concrete Beam-Column Joints (BCJs) reinforced with SMA bars at the plastic hinge region experience reduced residual deformation at the end of earthquakes. Another objective is to evaluate the seismic performance of SMA Reinforced Concrete BCJs repaired with flowable Structural-Repair-Concrete (SRC). A $\frac{3}{4}$-scale BCJ reinforced with SMA rebars in the plastic-hinge zone was tested under reversed cyclic loading, and subsequently repaired and retested. The joint was selected from an RC building located in the seismic region of western Canada. It was designed and detailed according to the NBCC 2005 and CSA A23.3-04 recommendations. The behaviour under reversed cyclic loading of the original and repaired joints, their load-storey drift, and energy dissipation ability were compared. The results demonstrate that SMA-RC BCJs are able to recover nearly all of their post-yield deformation, requiring a minimum amount of repair, even after a large earthquake, proving to be smart structural elements. It was also shown that the use of SRC to repair damaged BCJs can restore its full capacity.
Hidayat, Banu A.;Hu, Hsuan-Teh;Hsiao, Fu-Pei;Han, Ay Lie;Sosa, Lisha;Chan, Li-Yin;Haryanto, Yanuar
Computers and Concrete
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v.27
no.5
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pp.457-472
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2021
Reinforced concrete (RC) buildings in Taiwan have suffered failure from strong earthquakes, which was magnified by the non-ductile detailing frames. Inadequate reinforcement as a consequence of the design philosophy prior to the introduction of current standards resulted in severe damage in the column and beam-column joint (BCJ). This study establishes a finite element analysis (FEA) of the non-ductile detailing RC column, BCJ, and three-story building that was previously tested through a tri-axial shaking table test. The results were then validated to laboratory specimens having the exact same dimensions and properties. FEA simulation integrates the concrete damage plasticity model and the elastic-perfectly plastic model for steel. The load-displacement responses of the column and BCJ specimens obtained from FEA were in a reasonable agreement with the experimental curves. The resulting initial stiffness and maximum base shear were found to be a close approximation to the experimental results. Also, the findings of a dynamic analysis of the three-story building showed that the time-history data of acceleration and displacement correlated well with the shaking table test results. This indicates the FEA implementation can be effectively used to predict the RC frame performance and failure mode under seismic loads.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.2
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pp.160-169
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2015
In this study, experimental research was carried out to improve the seismic performance of reinforced concrete exterior beam-column joint regions using replacing recycled coarse aggregate with hybrid fiber (steel fiber+PVA fiber) in existing reinforced concrete building. Therefore it was constructed and tested seven specimens retrofitting the beam-column joint regions using such retrofitting materials. Specimens, designed by retrofitting the beam-column joint regions of reinforced concrete building, were showed the stable failure mode and increase of load-carrying capacity due to the effect of crack control at the times of initial loading and bridge of retrofitting hybrid fiber during testing. Specimens BCJGPSR series, designed by the retrofitting of replacing recycled coarse aggregate with hybrid fiber in reinforecd beam-column joint regions were increased its maximum load carrying capacity by 1.01~1.04 times and its energy dissipation capacity by 1.06~1.29 times in comparison with standard specimen BCJS. Also, specimen $BCJGPSR_1$ were increased its energy dissipation capacity by 1.33~1.65 times in comparison with specimens BCJS, BCJP and BCJGPR series for a displacement ductility of 9.
Hidayat, Banu A.;Hu, Hsuan-Teh;Hsiao, Fu-Pei;Han, Ay Lie;Pita, Panapa;Haryanto, Yanuar
Earthquakes and Structures
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v.19
no.6
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pp.485-498
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2020
Non-ductile detailing of Reinforced Concrete (RC) frames may lead to structural failure when the structure is subjected to earthquake response. These designs are generally encountered in older RC frames constructed prior to the introduction of the ductility aspect. The failure observed in the beam-column joints (BCJs) and accompanied by excessive column damage. This work examines the seismic performance and failure mode of non-ductile designed RC columns and exterior BCJs. The design was based on the actual building in Tainan City, Taiwan, that collapsed due to the 2016 Meinong earthquake. Hence, an experimental investigation using cyclic testing was performed on two columns and two BCJ specimens scaled down to 50%. The experiment resulted in a poor response in both specimens. Excessive cracks and their propagation due to the incursion of the lateral loads could be observed close to the top and bottom of the specimens. Joint shear failure appeared in the joints. The ductility of the member was below the desired value of 4. This is the minimum number required to survive an earthquake with a similar magnitude to that of El Centro. The evidence provides an understanding of the seismic failure of poorly detailed RC frame structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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