A building structural system of moment resisting frame (MRF) with concrete filled steel tubular (CFST) columns and wide flange H beams, is one of the most conveniently constructed structural systems. However, there were few studies on evaluating seismic performance of full-scale CFST columns under high axial compression. In addition, some existing famous design codes propose various limits of width-to-thickness ratio (B/t) for steel tubes of the ductile CFST composite members. This study was intended to investigate the seismic behavior of CFST columns under high axial load compression. Four full-scale square CFST column specimens with a B/t of 42 were carried out that were subjected to horizontal cyclic-reversal loads combined with constantly light, medium and high axial loads and with a linearly varied axial load, respectively. Test results revealed that shear strength and deformation capacity of the columns significantly decreased when the axial compression exceeded 0.35 times the nominal compression strength of a CFST column, P0. It was obvious that the higher the axial compression, the lower both the shear strength and deformation capacities were, and the earlier and faster the shear strength degradation occurred. It was found as well that higher axial compressions resulted in larger initial lateral stiffness and faster degradation of post-yield lateral stiffness. Meanwhile, the lower axial compressions led to better energy dissipation capacities with larger cumulative energy. Moreover, the study implied that under axial compressions greater than 0.35P0, the CFST column specimens with B/t limits recommended by AISC 360 (2016), ACI 318 (2014), AIJ (2008) and EC4 (2004) codes do not provide ultimate interstory drift ratio of more than 3% radian, and only the limit in ACI 318 (2014) code satisfies this requirement when axial compression does not exceed 0.35P0.
An experimental study was performed to investigate the cyclic behavior of the reinforced concrete frame with infilled steel plate. For this purpose, three-story compositewalls using infilled steel plates (RCSPW) were tested. The parameters for this test were the reinforcement ratio of the column and opening in the infilled steel plate. A reinforced concrete infilled wall (RCIW) and a reinforced concrete frame (RCF) were also tested for comparison. The deformation capacity of the RCSPW specimen was significantly greater than that of the RCIW specimen, although the two specimens exhibited the same load-carrying capacity. Like the steel plate walls with the steel boundary frame, RCSPW specimens showed excellent strength, deformation capacity, and energy dissipation capacity. Furthermore, by using infilled steel plates, shear cracking and failure of the column-beam joint were prevented. By using a strip model, the stiffness and strength of the RCSPW specimens were predicted. The results were compared with the test results.
Chalioris, Constantin E.;Voutetaki, Maristella E.;Liolios, Angelos A.
Earthquakes and Structures
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v.19
no.1
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pp.29-44
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2020
The effectiveness and the sensitivity of a Wireless impedance/Admittance Monitoring System (WiAMS) for the prompt damage diagnosis of two single-storey single-span Reinforced Concrete (RC) frames under cyclic loading is experimentally investigated. The geometrical and the reinforcement characteristics of the RC structural members of the frames represent typical old RC frame structure without consideration of seismic design criteria. The columns of the frames are vulnerable to shear failure under lateral load due to their low height-to-depth ratio and insufficient transverse reinforcement. The proposed Structural Health Monitoring (SHM) system comprises of specially manufactured autonomous portable devices that acquire the in-situ voltage frequency responses of a network of twenty piezoelectric transducers mounted to the RC frames. Measurements of external and internal small-sized piezoelectric patches are utilized for damage localization and assessment at various and increased damage levels as the magnitude of the imposed lateral cycle deformations increases. A bare RC frame and a strengthened one using a pair of steel crossed tension-ties (X-bracing) have been tested in order to check the sensitivity of the developed WiAMS in different structural conditions since crack propagation, damage locations and failure mode of the examined frames vary. Indeed, the imposed loading caused brittle shear failure to the column of the bare frame and the formation of plastic hinges at the beam ends of the X-braced frame. Test results highlighted the ability of the proposed SHM to identify incipient damages due to concrete cracking and steel yielding since promising early indication of the forthcoming critical failures before any visible sign has been obtained.
Rocking behavior of shallow foundation reduces the superstructure load during earthquake. However, because of deficiency of understanding of rocking mechanism and soil permanent deformation, it has not been applied to real construction. In this study, slow cyclic tests were conducted for embedded shallow foundations with various slenderness ratio via centrifuge tests. From the variation of earth pressure 'soil rounding surface' phenomenon which makes maximum overturning moment equal to ultimate moment capacity was observed. Rocking and sliding behavior mechanism was evaluated. Also, nonlinear behavior and energy dissipation increase as rotation angle increases. And ultimate moment capacity of embedded foundation is larger than that of surface foundation. Finally, adequate ultimate moment capacity can be suggested for seismic design through this study.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.4
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pp.35-42
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2015
This study analytically reviewed the behavior of Steel Plate Concrete(SC) walls subjected to cyclic loads to investigate the effects of shape and arrangement spacing of studs on the behavior of SC walls. To perform it, 9 cases of finite element analyses considering the different shape and spacing of studs in SC wall were carried out. As the results, the skeleton curves were obtained from the load-displacement history curves and the ultimate and yielding forces were increased as the spacing of studs decrease. In addition, the strength of inclined studs are shown to be bigger compared to that of general studs. The damping ratios are increased as the decrease of strength ratio. Finally, as the decrease of stud spacings, the cumulative dissipated energy was increased and the seismic performance was improved.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.04a
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pp.101-104
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2008
The cost of repairing the deterioration of concrete structures due to corrosion of the reinforcement steel has been the prominent figure in the maintenacne of the reinforced-concrete infrastructures. As an alternative material to steel reinforcement, the use of Fiber Reinforced Polymer (FRP) bar in concrete is being actively studied for the high resistance of chemical environment and high strength to weight ratio properties of FRP. However, there remain various aspects of FRP properties that still need to be studied before the standard design criteria can be established. One of the imminent issues is the bond between FRP and concrete. In this study, the bond-behavior of FRP bars in concrete is investigated via the pullout test with three varying parameters: surface condition of FRP bars, concrete compression strength, and cyclic loading patterns. As a result of experiment, the bond strength of GFRP increased with the concrete compression strength increasing and decreased with applying cyclic load.
This paper presents experiment and bearing capacity analyses of steel dual-lintel column (SDC) joints in Chinese traditional style buildings. Two SDC interior joints and two SDC exterior joints, which consisted of dual box-section lintels, circular column and square column, were designed and tested under low cyclic loading. The force transferring mechanisms at the panel zone of SDC joints were proposed. And also, the load-strain curves at the panel zone, failure modes, hysteretic loops and skeleton curves of the joints were analyzed. It is shown that the typical failure modes of the joints are shear buckling at bottom panel zone, bending failure at middle panel zone, welds fracturing at the panel zone, and tension failure of base metal in the heat-affected zone of the joints. The ultimate bearing capacity of SDC joints appears to decrease with the increment of axial compression ratio. However, the bearing capacities of exterior joints are lower than those of interior joints at the same axial compression ratio. In order to predict the formulas of the bending capacity at the middle panel zone and the shear capacity at the bottom panel zone, the calculation model and the stress state of the element at the panel zone of SDC joints were studied. As the calculated values showed good agreements with the test results, the proposed formulas can be reliably applied to the analysis and design of SDC joints in Chinese traditional style buildings.
The imperfect steel-concrete interface bonding is an important deficiency of the concrete-filled double skin tubular (CFDST) columns that led to separating concrete and steel surfaces under lateral loads and triggering buckling failure of the columns. To improve this issue, it is proposed in this study to use longitudinal and transverse steel stiffeners in CFDST columns. CFDST columns with different patterns of stiffeners embedded in the interior or exterior surfaces of the inner or outer tubes were analyzed under constant axial force and reversed cyclic loading. In the finite element modeling, the confinement effects of both inner and outer tubes on the compressive strength of concrete as well as the effect of discrete crack for concrete fracture were incorporated which give a realistic prediction of the seismic behavior of CFDST columns. Lateral strength, stiffness, ductility and energy absorption are evaluated based on the hysteresis loops. The results indicated that the stiffeners had determinant role on improving pinching behavior resulting from the outer tube's local buckling and opening/closing of the major tensile crack of concrete. The lateral strength, initial stiffness and energy absorption capacity of longitudinally stiffened columns with fixed-free end condition were increased by as much as 17%, 20% and 70%, respectively. The energy dissipation was accentuated up to 107% for fixed-guided end condition. The use of transverse stiffeners at the base of columns increased energy dissipation up to 35%. Axial load ratio, hollow ratio and concrete strength affecting the initial stiffness and lateral strength, had negligible effect of the energy dissipation of the columns. It was also found that the longitudinal stiffeners and transverse stiffeners have, respectively, negative and positive effects on ductility of CFDST columns. The conclusions, drawn from this study, can in turn, lead to the suggestion of some guidelines for the design of CFDST columns.
Wei Zhou;Tian-shun Hou;Yan Yang;Yu-xin Niu;Ya-sheng Luo;Cheng Yang
Geomechanics and Engineering
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v.34
no.5
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pp.577-595
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2023
A dynamic triaxial discrete element numerical model of lightweight soil was established using the discrete element method to study the microscopic mechanism of expanded polystyrene (EPS) particles in the soil under cyclic loading. The microscopic parameters of the discrete element model of the lightweight soil were calibrated depending on the dynamic triaxial test hysteresis curves. Based on the calibration results, the effects of the EPS particles volume ratio and amplitude on the contact force, displacement field, and velocity field of the lightweight soil under different accumulated strains were studied. The results showed that the hysteresis curves of lightweight soil exhibit nonlinearity, hysteresis, and strain accumulation. The strain accumulated in remolded soil is mainly tensile strain, and that in lightweight soil is mainly compressive strain. As the volume ratio of EPS particles increased, the contact force first increased and then decreased, and the displacement and velocity of the particles increased accordingly. With an increase in amplitude, the dynamic stress of the particle system increased, and the accumulation rate of the dynamic strain of the samples also increased. At 5% compressive strain, the contact force of the particles changed significantly and the number of particles deflected in the direction of velocity also increased considerably. These results indicated that the cemented structure of the lightweight soil began to fail at a compressive strain of 5%. Thus, a compressive strain of 5% is more reasonable than the dynamic strength failure standard of lightweight soil.
This experimental investigation was conducted to examine the behavior of eight a third scale columns made of high-strength concrete(HSC). The columns were subjected to constant axial load corresponding to target value of 30 percent of the column axial load capacity and a cyclic horizontal load-inducing reversed bending moment. The variables studied in this research are the volumetric ratio of transverse reinforcement(Ps=1.58, 2.25 %), tie configuration(hoop-type, cross-type, diagonal-type) and tie yield strength(fy=5,600, 7,950 kgf/$\textrm{cm}^2$). Test results indicated that the flexural strength of all the columns did not exceed calculated flexural capacities based on the equivalent concrete stress block used in current design code. Columns with 42 percent higher amounts of transverse reinforcement than that required by seismic provisions of ACI 318-99 were shown ductile behavior. With axial load of 30 percent of the axial load capacity, the use of high-strength steel as transverse reinforcement may lead to equal or higher ductility than would be achieved with low-strength steel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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