Previous studies have suggested the maximum experimental story shear force of beam-column joint frame does not reach its theoretical value due to beam-column joint failure when the column-to-beam moment capacity ratio was close to 1.0. It was also pointed out that under a certain amount of axial force, an axial collapse and a sudden decrease of lateral load-carrying capacity may occur at the joint. Although increasing joint transverse reinforcement could improve the lateral load-carrying capacity and axial load-carrying capacity of beam-column joint frame, the conditions considering varying axial force were still not well investigated. For this purpose, 7 full-scale specimens with no-axial force and 14 half-scale specimens with varying axial force are designed and subjected to static loading tests. Comparing the experimental results of the two types of specimens, it has indicated that introducing the varying axial force leads to a reduction of the required joint transverse reinforcement ratio which can avoid the beam-column joint failure. For specimens with varying axial force, to prevent beam-column joint failure and axial collapse, the lower limit of joint transverse reinforcement ratio is acquired when given a column-to-beam moment capacity ratio.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.1
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pp.59-65
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2024
This paper describes the seismic performance evaluation of reinforced concrete bridge columns under constant and varying axial forces. For this purpose, nine identical circular reinforced concrete columns were designed seismically by KIBSE (2021) and KCI (2021). A comparison of lateral forces with theoretical strength shows that the safety factor for columns under varying axial forces is less marginal than those under constant axial forces. In addition, columns under varying axial forces exhibit significant fluctuations in the hysteretic response due to continuously varying axial forces. This is particularly prominent when many varying axial force cycles within a specific lateral loading cycle increase. Moreover, the displacement ductility of columns under varying axial forces does not meet the code-specified required ductility in the range of varying axial forces. All varying axial forces affect columns' strength, stiffness, and displacement ductility. Therefore, axial force variation needs to be considered in the lateral strength evaluation of reinforced concrete bridge columns.
This paper presents the application of techniques of differential transformation method (DTM) to analyze the transverse vibration of a uniform Euler-Bernoulli beam under varying axial force. The governing differential equation of the transverse vibration of a uniform Euler-Bernoulli beam under varying axial force is derived and verified. The varying axial force was extended to the more general case which was high polynomial consisted of many terms. The concepts of DTM were briefly introduced. Numerical calculations are carried out and compared with previous published results. The accuracy and the convergence in solving the problem by DTM are discussed.
The performance-based design is highlighted as an alternative for the current design method, which cannot definitely specify the performance level that a building requires. Research on it is already in progress, however, in developed countries like the United States and Japan, to establish the basis for a performance-based design. Many studies on such design are also being conducted in South Korea, but South Korea still lags behind other countries in all-around technology. On the other hand, the column members, especially the lower external column, are affected by the variation of the axial force by overturning the moments in the case of lateral loads by earthquake. Varying the axial force can affect the time of local buckling and the ultimate behavior. Thus, in this study, the structural performance, such as the time of local buckling and the ultimate behavior, was analyzed through an experimental study on column members under varying axial force. The feasibility of a domestic study proposing a performance level with a story drift angle formed about a structural-performance-based steel structure design was also verified.
High strength steel is widely used in industrial applications to improve the load-bearing capacity and reduce the overall weight and cost. To take advantage of the benefits of this type of steel in construction, an innovative hybrid fabricated member consisting of high strength steel tubes welded to mild steel plates has recently been developed. Component-scale uniaxial and multiaxial cyclic experiments have been conducted with simultaneous constant or varying axial compression loads using a multi-axial substructure testing facility. The structural interaction of high strength steel tubes with mild steel plates is investigated in terms of member capacity, strength and stiffness deterioration and the development of plastic hinges. The deterioration parameters of hybrid specimens are calibrated and compared against those of conventional steel specimens. Effect of varying axial force and loading direction on the hysteretic deterioration model, failure modes and axial shortening is also studied. Plate and tube elements in hybrid members interact such that the high strength steel is kept within its ultimate strain range to prevent sudden fracture due to its low ultimate to yield strain ratio while the ductile performance of plate governs the global failure mechanism. High strength material also significantly reduces the axial shortening in columns which prevents undesirable frame deformations.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.2
s.257
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pp.231-236
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2007
This paper presents the effect of the center of the series on convergence in solving vibration problems by Differential Transformation Method(DTM) to the transverse vibration of the Euler-Bernoulli beam under varying axial force. The governing differential equation of the transverse vibration of the Euler-Bernoulli beam under varying axial force is derived. The concepts of DTM were briefly introduced. Numerical calculations are carried out and compared with previously published results. The effect of the center of the series on convergence in solving the problem by DTM is discussed.
The characteristics of amplitudes and power spectra of X axial, Y axial, and RZ axial (i.e., body axis) wind forces on a 492 m high-rise building with a section varying along height in typical wind directions are studied via a rigid model wind tunnel test of pressure measurement. Then the corresponding mathematical expressions of power spectra of X axial (across-wind), Y axial (along-wind) and torsional wind forces in $315^{\circ}$ wind directions are proposed. The investigation shows that the mathematical expressions of wind force spectra of the main structure in across-wind and torsional directions can be constructed by the superimposition of an modified wind spectrum function and a peak function caused by turbulent flow and vortex shedding, respectively. While that in along-wind direction can only be constructed by the former and is similar to wind spectrum. Moreover, the fitted parameters of the wind load spectra of each measurement level of altitude are summarized, and the unified parametric results are obtained. The comparisons of the first three order generalized force spectra show that the proposed mathematical expressions accord with the experimental results well.
The weld quality has always been an important factor affecting the development of exposed CFT column-base joint. In this paper, a new type of exposed RCFST column-base joint is proposed, in which the high strength steel bars (USD 685) are set through the column and reinforced concrete foundation without any base plate and anchor bolts. Three specimens, the varying axial force ratio (0, 0.25 and 0.5), were tested under cyclic loadings. In addition, the bending moment capacity, energy dissipation capacity and deformation capacity of column-base joints were clarified. The experimental results indicated that the axial force ratio increases the stiffness and the bending moment and improves the energy dissipation capacity of column-base joints. This is because a large axial force can limit the slip between steel tubular and infilled concrete effectively. The specimens show stable hysteresis behavior.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.2
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pp.67-73
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2003
The purpose of this study is to evaluate seismic performance of reinforced concrete bridge columns under varying axial force. A computer program, named RCAHEST(reinforced concrete analysis in higher evaluation system technology), for the analysis for reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. The smeared crack approach is incorporated. In boundary plane at which each member with different thickness is connected, local discontinuity in deformation due to the abrupt change in their stiffness can be taken into account by introducing interface element. The effect of number of load reversals with the same displacement amplitude has been also taken into account to model the reinforcing steel and concrete. The proposed numerical method for seismic performance evaluation of reinforced concrete bridge columns under varying axial force is verified by comparison with reliable experimental results.
A practical multi-spring model is proposed for a nonlinear analysis of reinforced concrete members, especially columns, taking into account the interaction of axial load and bi-directional bending moment. The parameters of the model are determined on the basis of material properties and section geometry. The axial force-moment interaction curve of reinforced concrete sections predicted by the model was shown to agree well with those obtained by the flexural analysis utilizing realistic stress-strain relations of materials. The reliability of the model was also examined with respect to the test of reinforced concrete columns subjected to varying axial load and bi-directional lateral load reversals. The analytical results agreed well with the experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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