This article presents a comparative analysis of seismic behavior in steel-beam reinforced concrete column (RCS) frames versus steel and reinforced concrete frames. The study evaluates the seismic response and collapse behavior of RCS frames of varying heights through nonlinear modeling. RCS, steel, and reinforced concrete special moment frames are considered in three height categories: 5, 10, and 20 stories. Two-dimensional frames are extracted from the three-dimensional structures, and nonlinear static analyses are conducted in the OpenSEES software to evaluate seismic response in post-yield regions. Incremental dynamic analysis is then performed on models, and collapse conditions are compared using fragility curves. Research findings indicate that the seismic intensity index in steel frames is 1.35 times greater than in RCS frames and 1.14 times greater than in reinforced concrete frames. As the number of stories increases, RCS frames exhibit more favorable collapse behavior compared to reinforced concrete frames. RCS frames demonstrate stable behavior and maintain capacity at high displacement levels, with uniform drift curves and lower damage levels compared to steel and reinforced concrete frames. Steel frames show superior strength and ductility, particularly in taller structures. RCS frames outperform reinforced concrete frames, displaying improved collapse behavior and higher capacity. Incremental Dynamic Analysis results confirm satisfactory collapse capacity for RCS frames. Steel frames collapse at higher intensity levels but perform better overall. RCS frames have a higher collapse capacity than reinforced concrete frames. Fragility curves show a lower likelihood of collapse for steel structures, while RCS frames perform better with an increase in the number of stories.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.22
no.4
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pp.99-107
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2022
Existing reinforced concrete building structures constructed before 1988 have seismically-deficient reinforcing details, which can lead to the premature failure of the columns and beam-column joints. The premature failure was resulted from the inadequate bonding performance between the reinforcing bars and surrounding concrete on the main structural elements. This paper aims to quantify the bond-slip effect on the dynamic responses of reinforced concrete frame models using finite element analyses. The bond-slip behavior was modeled using an one-dimensional slide line model in LS-DYNA. The bond-slip models were varied with the bonding conditions and failure modes, and implemented to the well-validated finite element models. The dynamic responses of the frame models with the several bonding conditions were compared to the validated models reproducing the actual behavior. It verifies that the bond-slip effects significantly affected the dynamic responses of the reinforced concrete building structures.
Jae Hyun Kim;Seung-Ho Choi;Sun-Jin Han;Hoseong Jeong;Jae-Yeon Lee;Kang Su Kim
Earthquakes and Structures
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v.25
no.4
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pp.283-296
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2023
This paper presents experimental and numerical studies of seismic performance on reinforced concrete (RC) wide beam (WB) joints. Two RC-WB joint specimens and one conventional RC joint specimen were fabricated using the reinforcing details of longitudinal reinforcing bars in a beam as a variable, and quasi-static cyclic loading tests were performed. The results were used to compare and analyze the load-drift ratio relationship, failure mode, and seismic performance of the specimens quantitatively. In addition, a finite element (FE) analysis of the RC-WB joint was conducted, and the rationality of the FE model was validated by comparing it with the test results. Based on the FE model, a parametric study was conducted, where the ratio of longitudinal reinforcing bars placed on the outer and inner parts of the joint (𝜌ex/𝜌in) was a key variable. The results showed that, in the RC-WB joint, an increase of 𝜌ex/𝜌in leads to more severe damage to concrete, which reduces the seismic performance of the RC-WB joints.
Choi, Sung Mo;Yun, Yeo Sang;Kim, Yo Suk;Kim, Jin Ho
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.15
no.5
s.66
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pp.579-589
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2003
Most beam-to-column connections are symmetrically reinforced because of the reverse action caused by earthquakes. However, in weak-earthquake regions like Korea, asymmetrically reinforced connections could be used. In particular, the connections between concrete-filled tube (CFT) column and H-shape beam could be applied using a simplified lower diaphragm. The tensile capacity or Combined Cross Diaphragm for upper reinforcing was tested using a simple tension test. Four types for lower reinforcing combined Cross, none, horizontal T-bar, and vertical plate were tested using the ANSI/AISC SSPEC 2002 loading program. Horizontal T-bar and stud bolts in vertical flat, bar transmit tensile stress from the beam's bottom flange to filled concrete. All test specimens satisfied 0.01 radian inelastic rotational requirement in ordinary moment frame of AISC seismic provision. According to the results of the parametric studies simplified lower diaphragms demonstrated outstanding strength, stiffness, and plastic deformation capacity which could lead to more sufficient seismic performance in the field.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.16
no.2
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pp.61-68
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2016
Behavior of RC(Reinforced-concrete) beam-column connections has been subjected to the earthquake loading has been determined by shear and attachment mechanism. However, since the shear and attachment are very fragile for cycle loadings. Through occurring plastic hinges at the beam, the column and the connection should remain elastic condition and the beam should dissipate the energy from the earthquake. This study was investigate on the seismic performance of 6 RC beam - column connections built with the high strength reinforcements (700MPa) based on design and detailing requirements in the ACI 318-05 Provision and KCI-07 appendix II. This is aimed to evaluate the effect of the high-strength reinforcements as used the beam-column connection members. The main comparisons were the seismic performance of the connections affect the seismic performance in terms of strength, stiffness and ductility, joint shear stress-strain. A total of 6 beam-column specimens were built with a 1/2 scale and subjected to the cyclic loadings. Main design considerations were the area of the longitudinal reinforcements of the beam and details of the beam-column joint designed based on the seismic code. Cyclic test results are given and recommendations for the usage of high strength reinforcements for the seismic design is provided.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.04a
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pp.283-289
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2000
The panel shear and bearing strengths determining the seismic resistance of reinforced concrete column-to-steel beam connections are predicted by various methods for four previously tested exterior beam-column joints. The analytical approach to model the joint deformation is also examined. Several analyses incorporating the deformations of panel shear and bearing in the joint are demonstrated using a analyses incorporating the deformations of panel shear and bearing in the joint are demonstrated using a fairly simple connection model in the commercial packages such as Drain2dx and IDARC. The strength prediction results indicated that the ASCE method with the modifcation of the comprssion strut contribution is th most accurate. It is also considered that the analytical model presented including the joint deformation can be used for the overall analysis
The purpose of this study is to propose an analytical model for the simulation of the hysteretic behavior of RC (reinforced concrete) beam-column subassemblages under various loading histories. The discrete line element with inelastic rotational springs is adopted to model the different locations of the plastic hinging zone. The hysteresis model can be adopted for a dynamic two-dimensional inelastic analysis of RC frame structures. From the analysis of test results it is found that the stiffness deterioration caused by inelastic loading can be simulated with a function of basic pinching coefficients, ductility ratio and yield strength ratio of members. A new strength degradation coefficient is proposed to simulate the inelastic behavior of members as a function of the transverse steel spacing and section aspect ratio. The energy dissipation capacities calculated using the proposed model show a good agreement with test results within errors of 27%.
Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) has commonly been used to strengthen existing RC structures. Wrapping the whole component with CFRP is an effective method and simple to execute. Besides, specific configuration of CFRP sheets (L, X and T shape) has also been considered in some experiments to examine CFRP effects in advance. This study aimed to provide an optimal CFRP configuration to effectively retrofit the beam-column connection using continuous material topology optimization procedure. In addition, Moved and Regularized Heaviside Functions and penalization factors were also considered. Furthermore, a multi-material procedure was also used to compare with the results from the single material procedure.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.16
no.6
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pp.13-20
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2012
In this study, 5-story structures were designed in accordance with KBC2009 for inelastic time history analysis of RC IMRF. Bending moment-curvature relationship for beam and column was identified with fiber model and bending moment-rotation relationship for beam-column joint was calculated with simple and unified joint shear behavior model and moment equilibrium relationship for the joint. The hysteretic behavior was simulated with three-parameter model suggested in IDARC program. The analytical results showed that the inelastic shear behavior of the joint could be neglected in the structural design for seismic design category C but the structure of category D did not satisfy the criteria of FEMA 356 for collapse prevention performance level.
Time-dependent buckling of embedded straight concrete columns armed with Silicon dioxide($SiO_2$) nano-particles exposed to fire is investigated in the present study for the fire time. The column is simulated mathematically with Timoshenko beam model. The governing mass conservation equations to describe heat and moisture transport in concrete containing free water, water vapor, and dry air in conjunction with the conversion of energy are considered. The characteristics of the equivalent composite are determined using Mori-Tanaka approach. The foundation around the column is simulated with spring and shear layer. Employing nonlinear strains-displacements, energy methods and Hamilton's principal, the governing equations are derived. Differential quadrature method (DQM) is used in order to obtain the critical buckling load and critical buckling time of structure. The influences of volume percent of $SiO_2nano-particles$, geometrical parameters, elastic foundation and concrete porosity are investigated on the time-dependent buckling behaviours of structure. Numerical results indicate that reinforcing the concrete column with $SiO_2nano-particles$, the structure becomes stiffer and the critical buckling load and time increase.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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