The widespread damage to steel Moment Resisting Frames (MRFs) in past major earthquakes have underscored the need to understand the nonlinear inelastic behaviour of such systems. To assess the seismic performance of steel MRF, it is essential to model the nonlinear force-deformation behaviour of beam to column joints. To determine the extent of inelasticity in a beam to column joint, nonlinear finite element analysis is generally carried out, which is computationally involved and demanding. In order to obviate the need of such elaborate analyses, a simplistic method to predict the force-deformation behaviour is required. In this study, a simple, mechanics driven, hand calculation method is proposed to obtain the forcedeformation behaviour of strong axis beam to column moment joints. The force-deformation behaviour for twenty-five interior and exterior beam to column joints, having column to beam strength ratios ranging from 1.2 to 10.99 and 2.4 to 22, respectively, have been obtained. The force-deformation behaviour predicted using the proposed method is compared with the results of finite element analyses. The results show that the proposed method predicts the force-deformation behaviour fairly accurately, with much lesser computational effort. Further the proposed method has been used to conduct Nonlinear Dynamic Time History Analyses of two benchmark frames; close correspondence of results obtained with published results establishes the usefulness and computational accuracy of the method.
Li, Bo;Lam, Eddie Siu-Shu;Cheng, Yuk-Kit;Wu, Bo;Wang, Ya-Yong
Earthquakes and Structures
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v.8
no.5
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pp.1017-1038
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2015
This paper presents a strengthening method that involves the use of ferrocement jackets and chamfers to relocate plastic hinge for non-seismically designed reinforced concrete exterior beam-column joints. An experimental study was conducted to assess the effectiveness of the proposed strengthening method. Four half-scale beam-column joints, including one control specimen and three strengthened specimens, were prepared and tested under quasi-static cyclic loading. Strengthening schemes include ferrocement jackets with or without skeleton reinforcements and one or two chamfers. Experimental results have indicated that the proposed strengthening method is effective to move plastic hinge from the joint to the beam and enhance seismic performance of beam-column joints. Shear stress and distortion within the joint region are also reduced significantly in strengthened specimens. Skeleton reinforcements in ferrocement provide limited improvement, except on crack control. Specimen strengthened by ferrocement jackets with one chamfer exhibits slight decrease in peak strength and energy dissipation but with increase in ductility as compared with that of two chamfers. Finally, a method for estimating moment capacity at beam-column interface for strengthened specimen is developed. The proposed method gives reasonable prediction and can ensure formation of plastic hinge at predetermined location in the beam.
Lu, Linfeng;Xu, Yinglu;Zheng, Huixiao;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.26
no.3
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pp.329-345
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2018
This paper systematically investigated the mechanical performance of the weak-axis cover-plate connection, including a beam end monotonic loading test and a column top cyclic loading test, and a series of parametric studies for exterior and interior joints under cyclic loading using a nonlinear finite element analysis program ABAQUS, focusing on the influences of the shape of top cover-plate, the length and thickness of the cover-plate, the thickness of the skin plate, and the steel material grade. Results showed that the strains at both edges of the beam flange were greater than the middle's, thus it is necessary to take some technical methods to ensure the construction quality of the beam flange groove weld. The plastic rotation of the exterior joint can satisfy the requirement of FEMA-267 (1995) of 0.03 rad, while only one side connection of interior joint satisfied ANSI/AISC 341-10 under the column top cyclic loading. Changing the shape or the thickness or the length of the cover-plate did not significantly affect the mechanical behaviors of frame joints no matter in exterior joints or interior joints. The length and thickness of the cover-plate recommended by FEMA 267 (1995) is also suitable to the weak-axis cover-plate joint. The minimum skin plate thickness and a design procedure for the weak-axis cover-plate connections were proposed finally.
Depending on the damage type as well as the level of damage observed after the earthquake, certain measures should be taken for the damaged buildings. In this study, structural repairing of two different types of damaged RC beam-column assembly by carbon fiber-reinforced polymer sheets is investigated in detail as a member repairing technique. Two types of 1:1 scale test specimens, which represent the exterior RC beam-column connection taken from inflection points of the frame, are utilized. The first specimen is designed according to the current Turkish Earthquake Code, whereas the second one represents a deficient RC beam-column assembly. Both of the specimens were subjected to cyclic quasistatic loading in the laboratory and different levels of structural damage were observed. The first specimen displayed a ductile response with the damage concentrated in the beam. However, in the second specimen, the beam-column joint was severely damaged while the rest of the members did not attain their capacities. Depending on the damage type of the specimens, the damaged members were repaired by CFRP wrapping with different configurations. After testing the repaired specimens, it is found that former capacities of the damaged members were mostly recovered by the application of CFRPs on the damaged members.
The use of local two-sided and three-sided jacketing for the repair and strengthening of reinforced concrete beam-column joints damaged by severe earthquakes is investigated experimentally and analytically. Two exterior beam-column joint specimens ($O_1$ and $O_2$) were submitted to a series of cyclic lateral loads to simulate severe earthquake damage. The specimens were typical of existing older structures built in the 1960s and 1970s. The specimens were then repaired and strengthened by local two-sided or three-sided jacketing according to UNIDO Manual guidelines. The strengthened specimens ($RO_1$ and $RO_2$) were then subjected to the same displacement history as that imposed on the original specimens. The repaired and strengthened specimens exhibited significantly higher strength, stiffness and better energy dissipation capacity than the original specimens.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.09a
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pp.199-204
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2003
The purpose of this study is to experimentally investigate the structural performance of concrete exterior beam-column joints confined by carbon sheet tube. Four specimens were produced with different numbers of carbon sheet and the other specimen was produced with reinforced concrete. A hydraulic dynamic actuator with 30tonf capacity was used to cyclic lateral loading test. The experimental results represent that the numbers of carbon sheet have an influence the load and displacement capacity. However, the bond length of carbon sheets for connecting beam and column has to be considered to improve the capacity of joint.
Kim, Min;Lee, Ki-Hak;Lee, Jae-Hong;Woo, Sung-Woo;Lee, Jung-Weon
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.18
no.6
s.96
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pp.729-736
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2006
It has been shown that many Reinforced Concrete(RC) structures designed without seismic details have experienced brittle shear failures in the beam-column joint area and resulted in large permanent deformations and structural collapse. In this study, experimental investigations into the performance of exterior reinforced concrete beam-column joints strengthened with the carbon fiber-reinforced polymer(CFRP) under cyclic loading were presented. The CFRP has been applied by choosing different combinations and locations to determine the effective way to improve structural performances of joints. Eight beam-column joints were tested to investigate behaviors of each specimen under cyclic load and to compare performances of seismic retrofit. According to the experimental study, the retrofit strengthened with the CFRP provides significant improvements of flexural capacity and ductility of beam-column joints originally built without seismic details.
Recently, there is a great demand for precast reinforced concrete (RC) construction methods on the purpose of simplicity in construction. Nishimatsu Construction Company has developed a construction method with precast reinforced concrete members in medium-rise building. In this construction method, how to joint precast members, especially the anchorage of the main bar of beam, is important problem. In this study, the structural performance of exterior joints with precast members was investigated. The parameters of the test specimens are anchorage type of the main bar of beam (U-shape anchorage or anchorage plate) and the ratio of the column axial force to the column strength. Specimens J-3 and J-4 used U-shape anchorage and the ratio of the column axial force of specimen J-4 was higher. On the other hand, specimens J-5 and J-6 used anchorage plate, and the anchorage lengths are 15d and 18d, respectively. Experimental results are summarized as follows; 1) For the joints with beam flexural failure mode, it was found that the maximum strength of specimen with anchorage plate is equal to or larger than that of specimen with conventional U-shaped anchorage if the anchorage length of more than 15d would be ensured, 2) Each specimen shows stable hysteretic curves and there were no notable effects on the hysteretic characteristics and the maximum strength caused by the anchorage method of beam main bar and the difference of column axial stress level.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.05a
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pp.454-457
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2006
This study presents a strut-and-tie model for the development of headed bars in an exterior beam-column joint with transverse reinforcements. The tensile force of a headed bar is considered to be developed by head bearing together with bond along a bonded length as a partial embedment length. The model requires construction of struts with biaxially compressed nodal zones for head bearing and fan-shaped stress fields against neighboring nodal zones for bond stresses along the bonded length. Due to the existence of transverse reinforcements, the fan-shaped stress fields are divided into direct and indirect fan-shaped stress fields. A required development length and head size of a headed bar can be optimally designed by adjusting a proportion between a bond contribution and bearing contribution.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.11a
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pp.53-56
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2008
Reinforced concrete rahmen structures has been required ductility as well as strength of beam-column joint in seismically hazard area. Some investigations have been presented for retrofitting and/or strengthening structural elements in structure. Strain-hardening cementitious composite(SHCC) has been expected excellent reinforcement performance in beam-column joint area. The properties of reinforcing fiber, as tensile strength, aspect ratio and elastic moudulus, have great effect on the fracture behavior of SHCC. The purpose of this experimental study is to evaluate structural performance of exterior reinforced concrete beam-column joint strengthened with SHCC under cyclic loading.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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