Although a critical section reaches its flexural strength in reinforced concrete structures, the structure does not always fail because moment redistribution occurs during the formation of plastic hinges. Inelastic deformation in a plastic hinge region results in plastic rotation. A plastic hinge mainly depends on material characteristics. In this study, a plastic hinge length and plastic rotation are evaluated using the flexural curvature distribution which is derived from the material models given in Eurocode 2. The influence on plastic capacity the limit values of the material model used, that is, ultimate strain of concrete and steel and hardening ratio of steel(k), are investigated. As results, it is appeared that a large ultimate strain of concrete and steel is resulting in large plastic capactiy and also as a hardening ratio of steel increases, the plastic rotation increases significantly. Therefore, a careful attention would be paid to determine the limit values of material characteristics in the RC structures.
Provisions for the redistribution of negative moments in KCI 2007 and ACI 318-08 use a method for continuous flexural members subjected to uniformly-distributed gravity load. Moment redistributions and plastic rotations in beams of reinforced concrete moment frames subjected to lateral load differ from those in continuous flexural members due to gravity load. In the present study, a quantitative relationship between the moment redistribution and plastic rotation is established for beams subjected to both lateral and gravity loads. Based on the relationship, a design method for the redistribution of negative moments is proposed based on a plastic rotation capacity. The percentage change in negative moments in the beam was defined as a function of the tensile strain of re-bars at the section of maximum negative moment, which is determined by a section analysis at an ultimate state using KCI 2007 and ACI 318-08. Span, reinforcement ratio, cracked section stiffness, and strain-hardening behavior substantially affected the moment redistribution. Design guidelines and examples for the redistribution of the factored negative moments determined by elastic theory for beams under lateral load are presented.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.2
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pp.287-297
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2015
In concrete structural design provisons, there is a minimum allowable strain of steel to ensure a ductility of RC members and a c/d is limited for the same purpose in EC2. In general, a ductility capacity of RC members is evaluated by a displacement ductility which is a ratio of ultimate displacement to yield displacement, and it is necessary to calculate accurately a yield displacement and an ultimate displacement to evaluate a displacement ductility. But a displacement in members is affected by various member characteristics, so it is hard to calculate a displacement exactly. In this study, a displacement ductility is calculated by calculating a yield displacement and an ultimate displacement through a moment-curvature relationship. The main variables examined are concrete strength, yield strength, steel ratio, spacing of confinement, axial force ratio and concrete ultimate strain. As results, as a concrete strength is increased, a ductility displacement is increased. But as yield strength, steel ratio, spacing of confinement and axial force ratio are increased, a displacement ductility is decreased. And a displacement ductility is necessary to calculate a response modification factor (R) of columns for seismic design, so it is appeared that it is important to calculate a displacement ductility more accurately.
For performance-based design using nonlinear static analysis, it is required to predict the inelastic behavior of structural members accurately. In the present study, a nonlinear numerical analysis was peformed to develop the method describing the moment-curvature relationship of structural wall with boundary confinement. Through the numerical analysis, variations of behavioral characteristics and failure mechanism with the arrangement of vertical reinforcement and the length of boundary confinement were studied. According to the analysis, the maximum moment-carrying capacity of structural walls with adequately confined boundary elements is developed at the moment the unconfined concrete reaches the ultimate compressive strain. Walls with flexural re-bars concentrated on the boundaries fails in a brittle manner. As vortical re-bars in the web increases, the brittle failure is prevented and a ductile failure occurs. Based on the findings, moment-curvature curves for walls with a variety of re-bar arrangement were developed. According to the proposed relationships, deformability of the structural walls wth boundary confinement increases as the compressive strength of the confined concrete increases compared to the applied compressive force.
Aging and deterioration of existing steel structures necessitate the development of simple and efficient rehabilitation techniques. The current study investigates a methodology to enhance the flexural capacity of steel beams by bonding Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) sheets to their flanges. A heavy duty adhesive, tested in a previous study is used to bond the steel and the GFRP sheet. In addition to its ease of application, the GFRP sheet provides a protective layer that prevents future corrosion of the steel section. The study reports the results of bending tests conducted on a W-shaped steel beam before and after rehabilitation using GFRP sheets. Enhancement in the moment capacity of the beam due to bonding GFRP sheet is determined from the test results. A closed form analytical model that can predict the yield moment as well as the stresses induced in the adhesive and the GFRP sheets of rehabilitated steel beam is developed. A detailed finite element analysis for the tested specimens is also conducted in this paper. The steel web and flanges as well as the GFRP sheets are simulated using three-dimensional brick elements. The shear and peel stiffness of the adhesive are modeled as equivalent linear spring systems. The analytical and experimental results indicate that a significant enhancement in the ultimate capacity of the steel beam is achieved using the proposed technique. The finite element analysis is employed to describe in detail the profile of stresses and strains that develop in the rehabilitated steel beam.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.12
no.3
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pp.93-100
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2008
The use of fiber reinforced polymer (FRP) composites is significantly growing in construction and infrastructure applications where durability under harsh environmental conditions is of great concern. In order to examine the applicability of FRP rebar as a reinforcement in flexural member, flexural tests were conducted. 12 beams with different FRP materials such as CFRP, GFRP and Hybrid FRP and reinforcement ratio were tested and analyzed in terms of failure mode, moment-deflection, flexural capacity, ductility index and sectional strain distribution. The test results were also compared with the theoretical model represented in ACI 440.1R06. Test results indicate that the flexural capacity of the beams reinforced by FRP bars can be accurately predicted using the ultimate design theory. They also show that the current ACI model for computing the deflection overestimates the actual deflection of GFRP series and underestimates the deflection of CFRP series.
High-strength concrete (HSC) is becoming more popular in the construction of beams and columns of tall buildings because of its higher stiffness and strength-to-weight ratio. However, as HSC is more brittle than normal-strength concrete (NSC), it may adversely affect the flexural ductility and deformability of concrete members. Extended from a series of theoretical study conducted on flexural ductility of concrete beams, the authors would in this paper investigate the effects of some critical factors including the degree of reinforcement, confining pressure, concrete and steel yield strength on the flexural deformability of NSC and HSC beams. The deformability, expressed herein in terms of normalised rotation capacity defined as the product of ultimate curvature and effective depth, is investigated by a parametric study using nonlinear moment-curvature analysis. From the results, it is evident that the deformability of concrete beams increases as the degree of reinforcement decreases and/or confining pressure increases. However, the effects of concrete and steel yield strength are more complicated and dependent on other factors. Quantitative analysis of all these effects on deformability of beams has been carried out and formulas for direct deformability evaluation are developed. Lastly, the proposed formulas are compared with available test results to verify its applicability.
Salem, Adel Helmy;Sayed-Ahmed, Ezzeldin Yazeed;El-Serwi, Ahmed Abdelsalam;Korashy, Mohamed Mostafa
Steel and Composite Structures
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v.4
no.5
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pp.367-384
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2004
A numerical model based on the finite element technique is adopted to investigate the behavior and strength of thin-walled I-section beam-columns. The model considers both the material and geometric nonlinearities. The model results were first verified against some of the currently available experimental results. A parametric study was then performed using the numerical model and interaction diagrams for the investigated beam-columns have been presented. The effects of the web depth-to-thickness ratio, flange outstand-to-thickness ratio and bending moment-to-normal force ratio on the ultimate strength of thin-walled I-section beam-columns were scrutinized. The interaction equations adopted for beam columns design by the NAS (North American Specifications for the design of cold formed steel structural members) have been critically reviewed. An equation for the buckling coefficient which considers the interaction between local buckling of the flange and the web of a thin-walled I-section beam-column has been proposed.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.4
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pp.100-107
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2018
The objective of this study is to assess the strengthening effects of fiber reinforced polymer(FRP) sheets such as Carbon fiber, Glass fiber, and PET(polyethylene terephthalate) on reinforced concrete flexural members. Variables of theoretical analysis are types of strengthening materials, material properties and amount of strengthening materials. A virtual flexural member without FRP sheets was created as a control specimen to understand the structural behavior of the non-strengthened specimen in terms of elastic and ultimate cross section. In total, 11 specimens including one non-strengthened and ten strengthened specimens were investigated. Various variables such as types of strengthening, strengthening properties, and amount of strengthening were studied to compare the behavior of the control specimen with those of strengthened specimens with regard to moment-curvature relationship. Results of theoretical analysis showed that the moment capacity of strengthened specimens was superior to that of the control specimen. However, the control specimen indicated the best ductility among all the specimens. As the amount of strengthening increased, flexural performance was improved. Furthermore, the results indicated that the ductile effect of members was affected by the ultimate strain of FRP sheets. The strengthening effect on the damaged member was similar to that on the non-damaged one since there was less than 10% difference in terms of flexural strength and ductility. Therefore, even if a damaged member is treated as non-damaged for analysis there is probably no noticeable difference.
The moment-resistant steel frames are frequently used as a load-bearing structure of buildings. Global response of a moment-resistant frame structure strongly depends on connections behavior, which can significantly influence the response and load-bearing capacity of a steel frame structure. The analysis of a steel frame with included joints behavior is the main focus of this work. In particular, we analyze the behavior of two connection types through experimental tests, and we propose numerical beam model capable of representing connection behavior. The six experimental tests, under monotonic and cyclic loading, are performed for two different types of structural connections: end plate connection with an extended plate and end plate connection. The proposed damage-plasticity model of Reissner beam is able to capture both hardening and softening response under monotonic and cyclic loading. This model has 18 constitutive parameters, whose identification requires an elaborate procedure, which we illustrate in this work. We also present appropriate loading program and arrangement of measuring equipment, which is crucial for successful identification of constitutive parameters. Finally, throughout several practical examples, we illustrate that the steel structure connections are very important for correct prediction of the global steel frame structure response.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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