An experimental study was performed to investigate the seismic performance of steel reinforced concrete (SRC) special-shaped columns. For this purpose, 17 steel reinforced concrete special-shaped column specimens under low-cyclic reversed load were tested, load process and failure patterns of the specimens with different steel reinforcement were observed. The test results showed that the failure patterns of these columns include shear-diagonal compression failure, shear-bond failure, shear-flexure failure and flexural failure. The failure mechanisms and characteristics of SRC special-shaped columns were also analyzed. For different SRC special-shaped columns, based on the failure characteristics and mechanism observed from the test, formulas for calculating ultimate shear capacity in shear-diagonal compression failure and shear-bond failure under horizontal axis and oblique load were derived. The calculated results were compared with the test results. Both the theoretical analysis and the experimental results showed that, the shear capacity of T, L shaped columns under oblique load are larger than that under horizontal axis load, whereas the shear capacity of +-shaped columns under oblique load are less than that under horizontal axis load.
In order to study the influence of loading angles on seismic performance of steel reinforced concrete (SRC) special-shaped columns, cyclic loading tests and finite element analysis (FEA) were both carried out. Seven SRC special-shaped columns, including two L-shaped columns, three T-shaped columns and two cross-shaped columns, were tested, and the failure patterns of the columns with different loading angles were obtained. Based on the tests, the FEA models of SRC special-shaped columns with different loading angles were established. According to the simulation results, hysteretic curves and seismic performance indexes, including bearing capacity, ductility, stiffness and energy dissipation capacity, were analyzed in detail. The results showed that the failure patterns were different for the columns with the same section and different loading angles. With the increasing of loading angles, the hysteretic curves became fuller and the bearing capacity and initial stiffness appeared increasing tendency, but the energy dissipation capacity changed insignificantly. When the loading angle changed, the ductility got better with the larger area of steel at the failure side for the unsymmetrical section and near the neutral axis for the symmetrical section, respectively.
Steel-reinforced concrete (SRC) L-shaped column is the vertical load-bearing member with high spatial adaptability. The seismic behavior of SRC L-shaped column is complex because of their irregular cross sections. In this study, the hysteretic performance of six steel truss reinforced concrete L-shaped columns specimens under the combined loading of compression, bending, shear, and torsion was tested. There were two parameters, i.e., the moment ratio of torsion to bending (γ) and the aspect ratio (column length-to-depth ratio (φ)). The failure process, torsion-displacement hysteresis curves, and bending-displacement hysteresis curves of specimens were obtained, and the failure patterns, hysteresis curves, rigidity degradation, ductility, and energy dissipation were analyzed. The experimental research indicates that the failure mode of the specimen changes from bending failure to bending-shear failure and finally bending-torsion failure with the increase of γ. The torsion-displacement hysteresis curves were pinched in the middle, formed a slip platform, and the phenomenon of "load drop" occurred after the peak load. The bending-displacement hysteresis curves were plump, which shows that the bending capacity of the specimen is better than torsion capacity. The results show that the steel truss reinforced concrete L-shaped columns have good collapse resistance, and the ultimate interstory drift ratio more than that of the Chinese Code of Seismic Design of Building (GB50011-2014), which is sufficient. The average value of displacement ductility coefficient is larger than rotation angle ductility coefficient, indicating that the specimen has a better bending deformation resistance. The specimen that has a more regular section with a small φ has better potential to bear bending moment and torsion evenly and consume more energy under a combined action.
Garay-Gallegos, Jesus Rafael;Luevanos-Rojas, Arnulfo;Lopez-Chavarria, Sandra;Medina-Elizondo, Manuel;Aguilera-Mancilla, Gabriel;Garcia-Canales, Edith
Geomechanics and Engineering
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제30권6호
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pp.525-538
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2022
This paper presents a more general model for T-shaped combined footings that support two columns aligned on a longitudinal axis and each column provides an axial load and two orthogonal moments. This model can be applied to the following conditions: (1) without restrictions on its sides, (2) a restricted side and (3) two opposite sides restricted. This model considers the linear soil pressure. The recently published works have been developed for a restricted side and for two opposite sides restricted by Luévanos-Rojas et al. (2018a, b). The current model considers the uniform pressure distribution because the position of the resultant force coincides with the center of gravity of the surface of the footing in contact with the soil in direction of the longitudinal axis where the columns are located. This paper shows three numerical examples. Example 1 is for a T-shaped combined footing with a limited side (one column is located on the property boundary). Example 2 is for a T-shaped combined footing with two limited opposite sides (the two columns are located on the property boundary). Example 3 is for a T-shaped combined footing with two limited opposite sides, one column is located in the center of the width of the upper flange (b1/2=L1), and other column is located at a distance half the width of the strip from the free end of the footing (b2/2=b-L1-L). The main advantage of this work over other works is that this model can be applied to T-shaped combined footings without restrictions on its sides, a restricted side and two opposite sides restricted. It also shows the deficiencies of the current model over the new model.
The frame structures investigated in this paper is composed of Concrete encased columns with L-shaped steel section and steel beams. The seismic behavior of this structural system is studied through experimental and numerical studies. A 2-bay, 3-story and 1/3 scaled frame specimen is tested under constant axial loading and cyclic lateral loading applied on the column top. The load-displacement hysteretic loops, ductility, energy dissipation, stiffness and strength degradation are investigated. A typical failure mode is observed in the test, and the experimental results show that this type of framed structure exhibit a high strength with good ductility and energy dissipation capacity. Furthermore, finite element analysis software Perform-3D was conducted to simulate the behavior of the frame. The calculating results agreed with the test ones well. Further analysis is conducted to investigate the effects of parameters including concrete strength, column axial compressive force and steel ratio on the seismic performance indexes, such as the elastic stiffness, the maximum strength, the ductility coefficient, the strength and stiffness degradation, and the equivalent viscous damping ratio. It can be concluded that with the axial compression ratio increasing, the load carrying capacity and ductility decreased. The load carrying capacity and ductility increased when increasing the steel ratio. Increasing the concrete grade can improve the ultimate bearing capacity of the structure, but the ductility of structure decreases slightly.
The objective of this study is to experimentally scrutinize the axial performance of built-up concrete filled steel tube (CFT) columns composed of steel plates. In this case, the main parameters cross section types, compressive strength of filled concrete, and the effect of welding lines. Welded built-up steel box columns are fabricated by connecting two pieces of cold-formed U-shaped or four pieces of L-shaped thin steel plates with continuous penetration groove welding line located at mid-depth of stub column section. Furthermore, traditional square steel box sections with no welding lines are investigated for the comparison of axial behavior between the generic and build-up cross sections. Accordingly, 20 stub columns with thickness and height of 2 and 300 mm have been manufactured. As a result, welding lines in built-up specimens act as stiffeners because have higher strength and thickness in comparison to the plates. Subsequently, by increasing the welding lines, the load bearing capacity of stub columns has been increased in comparison to the traditional series. Furthermore, for specimens with the same confinement steel tubes and concrete core, increment of B/t ratio has reduced the ductility and axial strength.
This paper reports an experimental investigation of the behaviour of concrete-encased composite columns subjected to short-term axial load and biaxial bending. In the study, six square and four L-shaped cross section of both short and slender composite column specimens were constructed and tested to examine the load-deflection behaviour and to obtain load carrying capacities. The main variables in the tests were considered as eccentricity of applied axial load, concrete compressive strength, cross section, and slenderness effect. A theoretical procedure considering the nonlinear behaviour of the materials is proposed for determination of the behaviour of eccentrically loaded short and slender composite columns. Two approaches are taken into account to describe the flexural rigidity (EI) used in the analysis of slender composite columns. Observed failure mode and experimental and theoretical load-deflection behaviour of the specimens are presented in the paper. The composite column specimens and also some composite columns available in the literature have been analysed and found to be in good agreement with the test results.
This paper presents a detailed parametric study, conducted using finite element tools to cover a range of several geometric and material parameters, on the behaviour of thin-walled partially encased composite (PEC) columns. The PEC columns studied herein are composed of thin-walled built-up H-shaped steel sections with concrete infill cast between the flanges. Transverse links are provided between the opposing flanges to improve resistance to local buckling. The parametric study is confined to eccentrically-loaded columns subjected to major axis bending only. The parameters that were varied include the overall column slenderness ratio (L/d), load eccentricity ratio (e/d), link spacing-to-depth ratio (s/d), flange plate slenderness ratio (b/t) and concrete compressive strength ($f_{cu}$). The overall column slenderness ratio was chosen to be the primary variable with values of 5, 10 and 15. Other parameters were varied within each case of L/d ratio. The effects of the selected parameters on the behaviour of PEC columns were studied with respect to the failure mode, peak axial load, axial load versus average axial strain response, axial load versus lateral displacement response, moment versus lateral displacement behaviour and the axial load-moment interaction diagram. The results of the parametric study are presented in the paper and the influences of each of the parameters investigated are discussed.
An experimental research was conducted to investigate the strength of biaxially loaded short and slender reinforced concrete columns with high strength concrete. In the study, square and L-shaped section reinforced concrete columns were constructed and tested to obtain the load-deformation behaviour and strength of columns. The test results of column specimens were analysed with a theoretical method based on the fiber element technique. The theoretical ultimate strength capacities and the test results of column specimens have been compared and discussed in the paper. Besides this, observed failure mode and experimental and theoretical load-lateral deflection behaviour of the column specimens are presented.
The seismic performance of steel beam to concrete-encased composite column with unsymmetrical steel section joints is investigated and reported within this paper. Experimental and analytical evaluation were conducted on a total of 8 specimens with T-shaped and L-shaped steel section under lateral cyclic loading and axial compression. The test parameters included concrete strength, stirrup ratio and axial compression ratio. The response of the specimens was presented in terms of their hysterisis loop behavior, stress distribution, joint shear strength, and performance degradation. The experiment indicated good structural behavior and good seismic performance. In addition, a three-dimensional nonlinear finite-element analysis simulating was conducted to simulate their seismic behaviors. The finite-element analysis incorporated both bond-slip relationship and crack interface interaction between steel and concrete. The results were also compared with the test data, and the analytical prediction of joint shear strength was satisfactory for both joints with T-shaped and L-shaped steel section columns. The steel beam to concrete-encased composite column with unsymmetrical steel section joints can develop stable hysteretic response and large energy absorption capacity by providing enough stirrups and decreased spacing of transverse ties in column.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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