In seismic analysis of moment-resisting frames, beam-column connections are often modeled with rigid joint zones. However, it has been demonstrated that, in ductile reinforced concrete (RC) moment-resisting frames designed based on current codes (to say nothing of older non-ductile frames), the joint zones are in fact not rigid, but rather undergo significant shear deformations that contribute greatly to global drift. Therefore, the "rigid joint" assumption may result in misinterpretation of the global performance characteristics of frames and could consequently lead to miscalculation of strength and ductility demands on constituent frame members. The primary objective of this paper is to propose a rational method for estimating the hysteretic joint shear behavior of RC connections and for incorporating this behavior into frame analysis. The authors tested four RC edge beam-column-slab connection subassemblies subjected to earthquake-type lateral loading; hysteretic joint shear behavior is investigated based on these tests and other laboratory tests reported in the literature. An analytical scheme employing the modified compression field theory (MCFT) is developed to approximate joint shear stress vs. joint shear strain response. A connection model capable of explicitly considering hysteretic joint shear behavior is then formulated for nonlinear structural analysis. In the model, a joint is represented by rigid elements located along the joint edges and nonlinear rotational springs embedded in one of the four hinges linking adjacent rigid elements. The connection model is able to well represent the experimental hysteretic joint shear behavior and overall load-displacement response of connection subassemblies.
Thomoglou, Athanasia K.;Rousakis, Theodoros C.;Achillopoulou, Dimitra V.;Karabinis, Athanasios I.
Earthquakes and Structures
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v.19
no.6
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pp.411-425
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2020
Unreinforced masonry (URM) walls present low shear strength and are prone to brittle failure when subjected to inplane seismic overloads. This paper discusses the shear strengthening of URM walls with Textile Reinforced Mortar (TRM) jackets. The available literature is thoroughly reviewed and an extended database is developed including available brick, concrete and stone URM walls retrofitted and subjected to shear tests to assess their strength. Further, the experimental results of the database are compared against the available shear strength design models from ACI 549.4R-13, CNR DT 215 2018, CNR DT 200 R1/2013, Eurocode 6 and Eurocode 8 guidelines as well as Triantafillou and Antonopoulos 2000, Triantafillou 1998, Triantafillou 2016. The performance of the available models is investigated and the prediction average absolute error (AAE) is as high as 40%. A new model is proposed that takes into account the additional contribution of the reinforcing mortar layer of the TRM jacket that is usually neglected. Further, the approach identifies the plethora of different block materials, joint mortars and TRM mortars and grids and introduces rational calibration of their variable contributions on the shear strength. The proposed model provides more accurate shear strength predictions than the existing models for all different types of the URM substrates, with a low AAE equal to 22.95%.
This paper presents a new constitutive model for numerical modeling the shear behaviour of rough rock joints. The model incorporates the dilatancy of joints on the basis of elasto-plastic theory. Barton's empirical shear strength formular are adopted in the formulation process. The mobilized JRC concept is evoked to address the shear strength hardening and sofrening phenomena. The mobilized JRC in the pre- and post-peak range is approximated by assuming that the variation of JRC is a function of tangential plastic work. Discrete finite joint element is used to implement the proposed constitutive model. The model is validated by the numerical direct shear test on a single joint which is subjected to different boundary conditions. The test results are in good agreement with the experimental observations reported by other authors. The numerical tests also exhibit that the proposed model can simulate the salient features envisaged in the behaviour of rough rock joints.
In this study, the effects of the inelastic shear behavior of beam-column joint and the vertical distribution of lateral load are evaluated considering higher modes on the response of RC OMRF using the pushover analysis. A structure used for the analysis was a 5-story structure located at site class SB and seismic design category C, which was designed in accordance with KBC2009. Bending moment-curvature relationship for beam and column was identified using fiber model. Also, bending moment-rotation relationship for beam-column joint was calculated using simple and unified joint shear behavior model and moment equilibrium relationship for the joint. The results of pushover analysis showed that, although the rigid beam-column joint overestimated the stiffness and strength of the structure, the inelastic shear behavior of beam-column joint could be neglected in the process of structural design since the average response modification factor satisfied the criteria of KBC2009 for RC OMRF independent to inelastic behavior of joint.
During an earthquake, steel frame columns can be subjected to high axial forces combined with inelastic rotation demand resulting from story drift. Generally, the whole beam or component can be represented with one element. In elasto-plastic analysis, subdivision is necessary if the plastic deformation occurs within two ends of beams. If effects of the joint panel are necessarily considered in the analysis, the joint panel should be represented with an independent element. It is a special element to represent the shear deformation of the joint panel in the beam-column connection zone. Several analytical models for panel zone (PZ) behavior exist, in terms of shear force-shear distortion relationships. Among these models, the Krawinkler PZ model is the most popular one which is used in the AISC code. Some studies have pointed out that Krawinkler's model gives good results for the range of thin to medium column flanges thickness. This paper, introduces a new model to estimate the response of shear force-shear distortion for the PZ including column axial force. The model is applicable to both thin and thick column flange. To achieve an appropriate PZ mathematical model first, the effects of PZ strength and stiffness on connection response are parametrically studied using finite element models. More than one thousand and four-hundred beam-column connections are included in the parametric study, with varied parameters; then based on analytical results a simple mathematical model is presented. A comparison between the results of proposed method herein with FE analyses shows the average error especially in thick column flange is significantly reduced which demonstrates the accuracy, efficiency, and simplicity of the proposed model.
Concrete filled rectangular steel tubular (CFRST) composite truss girder is composed of the CFRST truss and concrete slab. The failure mechanism of the girder was different under bending and shear failure modes. The bending and shear strength of the girder were investigated experimentally. The influences of composite effect and shear to span ratio on failure modes of the girder was studied. Results indicated that the top chord and the joint of the truss were strengthened by the composited effect. The failure modes of the specimens were changed from the joint on top chord to the bottom chord. However, the composite effect had limited effect on the failure modes of the girder with small shear to span ratio. The concrete slab and top chord can be regarded as the composite top chord. In this case, the axial force distribution of the girder was close to the pin-jointed truss model. An approach of strength prediction was proposed which can take the composite effect and shear to span ratio into account. The approach gave accurate predictions on the strength of CFRST composite truss girder under different bending and shear failure modes.
Open-mode cracks could be commonly observed in layered rocks. A concept model is firstly used to explore the mechanism of the vertical cracks (VCs) in the top layer. Then the crack behaviour of the two-layer model is simulated based on a cohesive zone model (CZM) for layer interfaces and a plastic-damage model for rocks. The model indicates that the tensile stress normal to the VCs changes to compression if the crack spacing to layer thickness ratio is lower than a threshold. The results indicate that there is a threshold for interfacial shear strength that controls the crack patterns of the layered system. If the shear strength is lower than the threshold, the top layer is meshed by the VCs and interfacial cracks (ICs). When the shear strength is higher than the threshold, the top layer is meshed by the VCs and parallel cracks (PCs). If the shear strength is comparative to the threshold, a combining pattern of VCs, PCs and ICs for the top layer can be formed. The evolutions of stress distribution in the crack-bound block indicate that the ICs and PCs can reduce the load transferred for the substrate layer, and thus leads to a crack saturation state.
Galindo, Ruben;Andres, Jose L.;Lara, Antonio;Xu, Bin;Cao, Zhigang;Cai, Yuanqiang
Geomechanics and Engineering
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v.24
no.4
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pp.307-321
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2021
In an earlier publication (Serrano et al. 2014), the theoretical basis for evaluating the shear strength in rock joints was presented and used to derive an equation that governs the relationship between tangential and normal stresses on the joint during slippage between the joint faces. In this paper, the theoretical equation is applied to two non-linear failure criteria by using non-associated flow laws, including the modified Hoek and Brown and modified Mohr-Coulomb equations. The theoretical model considers the geometric dilatancy, the instantaneous friction angle, and a parameter that considers joint surface roughness as dependent variables. This model uses a similar equation structure to the empirical law that was proposed by Barton in 1973. However, a good correlation with the empirical values and, therefore, Barton's equation is necessary to incorporate a non-associated flow law that governs breakage processes in rock masses and becomes more significant in highly fractured media, which can be induced in a rock joint. A linear law of dilatancy is used to assess the importance of the non-associated flow to obtain very close values for different roughness states, so the best results are obtained for null material dilatancy, which considers significant changes that correspond to soft rock masses or altered zones of weakness.
In order to quantify the anisotropic properties of rock included joints and shear behavior in joint surface, the mold is Produced for rock joint surface using gypsum Plaster and Peformed for replicated joint models made of cement mortar. Rock sample is measured using mechanical profilometer before testing and their result is expressed quantitatively. The statistical parameters and the fractal dimension by fractal theory for roughness is investigated its coordinate value for numerical process. The shear strength to the shear displacement in low level normal stress ismaintained or increased in most joint models. Their results present that this relationship is depended several roughness properties in joint model for natural rock joint. The relationship between the shear strength and the Properties for profiles estimated by some statistical parameter in roughness has the low correlation and is not constant. The result between the data for direct shear test and using Barton's equation, Barton's equation has not the effectiveness for the effect of anisotropy and has not suitable to recognizing the properties for joint surface. It means that JRC has not the properties of anisotropic rock surface. The fractal dimension is well correlated with the data of direct shear test than those of JRC. New experimental formulae using fractal dimension is comported with the anisotropic properties for direct shear test.
The novel form of composite walling system consists of two skins of profiled steel sheeting with an in-fill of concrete. The behaviour of such walling under in-plane shear is important in order to utilise this system as shear elements in a steel framed building. Steel sheet-concrete interface governs composite action, overall behaviour and failure modes of such walls. This paper describes the finite element (FE) modelling of the shear behaviour of walls with particular emphasis on the simulation of steel-concrete interface. The modelling of complex non-linear steel-concrete interaction in composite walls is conducted by using different FE models. Four FE models are developed and characterized by their approaches to simulate steel-concrete interface behaviour allowing either full or partial composite action. Non-linear interface or joint elements are introduced between steel and concrete to simulate partial composite action that allows steel-concrete in-plane slip or out of plane separation. The properties of such interface/joint elements are optimised through extensive parametric FE analysis using experimental results to achieve reliable and accurate simulation of actual steel-concrete interaction in a wall. The performance of developed FE models is validated through small-scale model tests. FE models are found to simulate strength, stiffness and strain characteristics reasonably well. The performance of a model with joint elements connecting steel and concrete layers is found better than full composite (without interface or joint elements) and other models with interface elements. The proposed FE model can be used to simulate the shear behaviour of composite walls in practical situation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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