This study aims at investigating the hysteretic performance of a novel composite wall panel fabricated by infilling aerated concrete blocks into a novel light-steel frame used for low-rise residential buildings. The novel light-steel frame is consisted of two thin-wall rectangular hollow section columns and a truss-beam assembled using patented U-shape connectors. Two bare light-steel frames and two composite wall panels have been tested to failure under horizontal cyclic loading. Hysteretic curves, lateral resistance and stiffness of four specimens have been investigated and analyzed. Based on the testing results, it is found that the masonry infill can significantly increase the lateral resistance and stiffness of the novel light-steel frame, about 2.3~3 and 21.2~31.5 times, respectively. Failure mode of the light-steel frame is local yielding of the column. For the composite wall panel, firstly, masonry infill is crushed, subsequently, local yielding may occur at the column if loading continues. Hysteretic curve of the composite wall panel obtained is not plump, implying a poor energy dissipation capacity. However, the light-steel frame of the composite wall panel can dissipate more energy after the masonry infill is crushed. Therefore, the composite wall panel has a much higher energy dissipation capacity compared to the bare light-steel frame.
Reinforced concrete frames with a masonry infill panel is a structural typology frequently used worldwide. In seismic cases, the interaction between the masonry infill and the RC frames constitutes one of the most complex subjects in earthquake engineering. In this work, an enhancement of an existing numerical model is proposed to improve the estimation of lateral strength and stiffness of masonry-infilled frame structures and predict their probable failure modes. The proposed improvement is based on attributing corrective coefficients to the shear strength of each diagonal shear spring of the macro element, which simulates the masonry infill. The improved numerical model is validated by comparing the results with those of the original numerical model and with experimental results available in the literature. The enhanced macro element model can be used as a powerful, accessible tool for assessing the capacity and stiffness of masonry-infilled frame structures and predicting their probable failure modes.
Although it is widely accepted that the interaction -between masonry infill and structural members significantly affects the seismic response of reinforced concrete (RC) frames, this interaction is generally neglected in current design-oriented seismic analyses of structures. Moreover, the role of masonry infill is expected to be even more relevant in the case of existing frames designed only for gravitational loads, as infill walls can significantly modify both lateral strength and stiffness. However, the additional contribution to both strength and stiffness is often coupled to a modification of the global collapse mechanisms possibly resulting in brittle failure modes, generally related to irregular distributions of masonry walls throughout the frame. As a matter of principle, accurate modelling of masonry infill should be at least carried out by adopting nonlinear 2D elements. However, several practice-oriented proposals are currently available for modelling masonry infill through equivalent (nonlinear) strut elements. The present paper firstly outlines some of the well-established models currently available in the scientific literature for modelling infill panels in seismic analyses of RC frames. Then, a parametric analysis is carried out in order to demonstrate the consequences of considering such models in nonlinear static and dynamic analyses of existing RC structures. Two bay-frames with two-, three- and four-storeys are considered for performing nonlinear analyses aimed at investigating some critical aspects of modelling masonry infill and their effects on the structural response. Particularly, sensitivity analyses about specific parameters involved in the definition of the equivalent strut models, such as the constitutive force-displacement law of the panel, are proposed.
A convenient procedure for seismic retrofit of existing buildings is to use passive control methods, like using friction dampers in steel frames with bracing systems. In this method, reduction of seismic demand and increase of ductility generally improve seismic performance of the structures. Some of its advantages are development of a stable rectangular hysteresis loop and independence on environmental conditions such as temperature and loading rate. In addition to friction dampers, masonry-infill panels improve the seismic resistance of steel structures by increasing lateral strength and stiffness and reducing story drifts. In this study, the effect of masonry-infill panels on seismic performance of a three-span four-story steel frame with Pall friction dampers is investigated. The results show that friction dampers in the steel frame increase the ductility and decrease the drift (to less than 1%). The infill panels fulfill their function during the imposed drift and increase structural strength. It can be concluded that infill panels together with friction dampers, reduced structural dynamic response. These infill panels dissipated input earthquake energy from 4% to 10%, depending on their thickness.
This study evaluates the effectiveness of a newly developed retrofitting scheme for masonry-infilled non-ductile RC frames experimentally and by numerical simulation. The technique focuses on modifying the load path and yield mechanism of the infilled frame to enhance the ductility. A vertical gap between the column and the infill panel was strategically introduced so that no shear force is directly transferred to the column. Steel brackets and small vertical steel members were then provided to transfer the interactive forces between the RC frame and the masonry panel. Wire meshes and high-strength mortar were provided in areas with high stress concentration and in the panel to further reduce damage. Cyclic load tests on a large-scale specimen of a single-bay, single-story, masonry-infilled RC frame were carried out. Based on those tests, the retrofitting scheme provided significant improvement, especially in terms of ductility enhancement. All retrofitted specimens clearly exhibited much better performances than those stipulated in building standards for masonry-infilled structures. A macro-scale computer model based on a diagonal-strut concept was also developed for predicting the global behavior of the retrofitted masonry-infilled frames. This proposed model was effectively used to evaluate the global responses of the test specimens with acceptable accuracy, especially in terms of strength, stiffness and damage condition.
This paper presents a state-of-the-art review of the nonlinear modelling techniques available today for describing the structural behaviour of masonry infills and their interaction with frame structures subjected to in-plane loads. Following brief overviews on the behaviour of masonry-infilled frames and on the results of salient experimental tests, three modelling approaches are discussed in more detail: the micro, the meso and the macro approaches. The first model considers each of the infilled frame elements as separate: brick units, mortar, concrete and steel reinforcement; while the second approach treats the masonry infill as a continuum. The paper focuses on the third approach, which combines frame elements for the beams and columns with one or more equivalent struts for the infill panel. Due to its relative simplicity and computational speed, the macro model technique is more widely used today, though not all proposed models capture the main effects of the frame-infill interaction.
Structural safety has always been a key preoccupation for engineers responsible for the design of civil engineering projects. One of the mechanisms of structural failure, which has gathered increasing attention over the past few decades, is referred to as 'progressive collapse' which happens when one or several structural members suddenly fail, whatever the cause (accident, attack, seismic loading(.Any weakness in design or construction of structural elements can induce the progressive collapse in structures, during seismic loading. Masonry infill panels have significant influence on structure response against the lateral load. Therefore in this paper, seismic performance and shear strength of R.C frames with brick infill panel under various lateral loading patterns are investigated. This evaluation is performed by nonlinear static analysis. The results provided important information for additional design guidance on seismic safety of RC frames with brick infill panel under progressive collapse.
Aknouche, Hassan;Airouche, Abdelhalim;Bechtoula, Hakim
Earthquakes and Structures
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제16권3호
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pp.329-348
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2019
The main objective of this experimental research was to investigate the Seismic performance of reinforced concrete frames infilled with perforated clay brick masonry wall of a type commonly used in Algeria. Four one story-one bay reinforced concrete infilled frames of half scale of an existing building were tested at the National Earthquake Engineering Research Center Laboratory, CGS, Algeria. The experiments were carried out under a combined constant vertical and reversed cyclic lateral loading simulating seismic action. This experimental program was performed in order to evaluate the effect and the contribution of the infill masonry wall on the lateral stiffness, strength, ductility and failure mode of the reinforced concrete frames. Numerical models were developed and calibrated using the experimental results to match the load-drift envelope curve of the considered specimens. These models were used as a bench mark to assess the effect of normalized axial load on the seismic performance of the RC frames with and without masonry panels. The main experimental and analytical results are presented in this paper.
Framed masonry wall structures represent a typical high-rise structural system that are also seismically vulnerable. During ground motions, they are excited in both in-plane and out-of-plane terms. The interaction between the frame and the infill during ground motion is a highly investigated phenomenon in the field of seismic engineering. This paper presents a numerical investigation of two distinct static out-of-plane loading methods for framed masonry wall models. The first and most common method is uniformly loaded infill. The load is generally induced by the airbag. The other method is similar to in-plane push-over method, involves loading of the frame directly, not the infill. Consequently, different openings with the same areas and various placements were examined. The numerical model is based on calibrated in-plane bare frame models and on calibrated wall models subjected to OoP bending. Both methods produced widely divergent results in terms of load bearing capabilities, failure modes, damage states etc. Summarily, uniform load on the panel causes more damage to the infill than to the frame; openings do influence structures behavior; three hinged arching action is developed; and greater resistance and deformations are obtained in comparison to the frame loading method. Loading the frame causes the infill to bear significantly greater damage than the infill; infill and openings only influence the behavior after reaching the peak load; infill does not influence initial stiffness; models with opening fail at same inter-storey drift ratio as the bare frame model.
Lemonis, Minas E.;Asteris, Panagiotis G.;Zitouniatis, Dimitrios G.;Ntasis, Georgios D.
Structural Engineering and Mechanics
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제70권4호
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pp.421-429
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2019
This paper presents an analytical model for the estimation of initial lateral stiffness of steel moment resisting frames with masonry infills. However, rather than focusing on the single bay-single storey substructure, the developed model attempts to estimate the global stiffness of multi-storey and multi-bay frames, using an assembly of equivalent springs and taking into account the shape of the lateral loading pattern. The contribution from each infilled frame panel is included as an individual spring, whose properties are determined on the basis of established diagonal strut macro-modeling approaches from the literature. The proposed model is evaluated parametrically against numerical results from frame analyses, with varying number of frame stories, infill openings, masonry thickness and modulus of elasticity. The performance of the model is evaluated and found quite satisfactory.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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