During strong seismic events, inelastic shear deformation occurs in beam-column joints. To capture inelastic shear deformation, an analytical model for beam-column joint in reinforced concrete (RC) frame structures has been proposed in this study. The proposed model has been developed using a rotational spring and rigid links. The stiffness properties of the rotational spring element have been assigned in terms of a moment rotation curve developed from the shear stress-strain backbone curve. The inelastic rotation behavior of joint has been categorized in three stages viz. cracking, yielding and ultimate. The joint shear stress and strain values at these stages have been estimated using analytical models and experimental database respectively. The stiffness properties of joint rotational spring have been modified by incorporating a geometry factor based on dimensions of adjoining beam and column members. The hysteretic response of the joint rotational spring has been defined by a pivot hysteresis model. The response of the proposed analytical model has been verified initially at the component level and later at the structural level with the two actually tested RC frame structures. The proposed joint model effectively emulates the inelastic behavior precisely with the experimental results at component as well as at structural levels.
When a lateral load is applied to a short pile whose embedded depth is relatively smaller than its diameter, an overturning failure occurs. To investigate the behavior of laterally loaded short piles, several model tests in laboratory scales had been carried out, however the behavior of large moment carrying piles for electric poles, traffic sign and road lamp, etc. have not been revealed yet. This paper deals with the real-scale load tests for 750 mm diameter short piles. To simulate the actual loading condition, very large moment was mobilized by applying lateral loads to the location 8 m away from the pile head. Three load tests changing the pile embedded lengths to 2.0 m, 2.5 m, and 3.0 m were carried out. The test piles overturned abruptly with very small displacement and rotation before the failures. These brittle failures are in contrast with the ductile failures shown in the former model tests with the relatively smaller moment to lateral load ratio. Comparisons of the test results with three existing methods for the estimation of the ultimate lateral capacity show that the method assuming the rotation point at pile tip matches well when the embedded depth is small, however, as the embedded depth increases the other two methods assuming the inversion of soil pressure with respect to rotation points in pile length match better.
Oehlers, Deric John;Hasketta, Matthew;Mohamed Ali, M.S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.38
no.6
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pp.697-714
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2011
Assessing the ductility of reinforced concrete sections and members has been a complex and intractable problem for many years. Given the complexity in estimating ductility, members are often designed specifically for strength whilst ductility is provided implicitly through the use of ductile steel reinforcing bars and by ensuring that concrete crushing provides the ultimate limit state. As such, the empirical hinge length and neutral axis depth approaches have been sufficient to estimate ductility and moment redistribution within the bounds of the test regimes from which they were derived. However, being empirical, these methods do not have a sound structural mechanics background and consequently have severe limitations when brittle materials are used and when concrete crushing may not occur. Structural mechanics based approaches to estimating rotational capacities and rotation requirements for given amounts of moment redistribution have shown that FRP plated reinforced concrete (RC) sections can have significant moment redistribution capacities. In this paper, the concept of moment redistribution in beams is explained and it is shown specifically how an existing RC member can be retrofitted with FRP plates for both strength and ductility requirements. Furthermore, it is also shown how ductility through moment redistribution can be used to maximise the increase in strength of a member. The concept of primary and secondary hinges is also introduced and it is shown how the response of the non-hinge region influences the redistribution capacity of the primary hinges, and that for maximum moment redistribution to occur the non-hinge region needs to remain elastic.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.35
no.4
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pp.135-146
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2019
Deep beam has high section modules compared with shallow beam of the same weight. However, deep beam has low rotational capacity and high possibility of brittle failure so it is not possible to apply deep beams with a long span to intermediate moment frames, which should exhibit a ductility of 0.02rad of a story drift angle of steel moment frames. Accordingly, KBC and AISC limit the beam depth for intermediate and special moment frame to 750mm and 920mm respectively. The purpose of this paper is to improve the seismic performance of intermediate moment frame with 1200mm depth beam. In order to enhance vulnerability of plastic deformation capacity of deeper beam, Multi-Reduced Taper Beam(MRTB) shape that thickness of beam flange is reinforced and at the same time some part of the beam flange width is weakened are proposed. Based on concept of multiple plastic hinge, MRTB is intended to satisfy the rotation requirement for intermediate moment frame by dividing total story drift into each hinge and to prevent the collapse of the main members by inducing local buckling and fracture at the plastic hinge location far away from connection. The seismic performance of MRTB is evaluated by cyclic load test with conventional connections type WUF-W, RBS and Haunch. Some of the proposed MRTB connection satisfies connection requirements for intermediate moment frame and shows improved the seismic performance compared to conventional connections.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.4
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pp.93-100
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2020
In this study, structural characteristics were analyzed by combining gravity load and lateral loads such as seismic loads through static analysis of example structures, and the static characteristics of the twisted structure according to the plane rotation angle were also analyzed. Example structures were selected as regular structure, and twisted structures; 1.0, 2.0, and 3.0 degree angle of rotation per story, and static analysis was performed by the load combination case 1 and case 2. As a result the story drift ratio of the twisted-shaped structure also increased as the plane rotation angle per story increased. The eccentricity according to the load combination was the highest in the lower stories of all analysis models, and the eccentricity was found to be larger as the rotation angle decreased. The twisted-shaped structure was more responsible for the bending moment of the column than the regular structure, and the vertical member axial force of all analysis models was almost similar.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.2
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pp.245-256
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2000
A moment-curvature relationship to simulate the behavior of reinforced concrete beam under cyclic loading is introduced. Unlike previous moment-curvature models and the layered section approach, the proposed model takes into consideration the bond-slip effect by using monotonic moment-curvature relationship constructed on the basis of the bond-slip relation and corresponding equilibrium equation at each nodal point. In addition, the use of curved unloading and reloading branches inferred from the stress-strain relation of steel gives more exact numerical result. The advantages of the proposed model, comparing to layered section approach, may be on the reduction in calculation time and memory space in case of its application to large structures. The modification of the moment-curvature relation to reflect the fixed-end rotation and pinching effect is also introduced. Finally, correlation studies between analytical results and experimental studies are conducted to establish the validity of the proposed model.
With recent growing interests in the Performance-Based Seismic Design and Assessment Methodology, more realistic modeling of a structural system is deemed essential in analyzing, designing, and evaluating both newly constructed and existing buildings under seismic events. Consequently, a shallow foundation element becomes an essential constituent in the implementation of this seismic design and assessment methodology. In this paper, a contact interface fiber section element is presented for use in modeling soil-shallow foundation systems. The assumption of a rigid footing on a Winkler-based soil rests simply on the Euler-Bernoulli's hypothesis on sectional kinematics. Fiber section discretization is employed to represent the contact interface sectional response. The hyperbolic function provides an adequate means of representing the stress-deformation behavior of each soil fiber. The element is simple but efficient in representing salient features of the soil-shallow foundation system (sliding, settling, and rocking). Two experimental results from centrifuge-scale and full-scale cyclic loading tests on shallow foundations are used to illustrate the model characteristics and verify the accuracy of the model. Based on this comprehensive model validation, it is observed that the model performs quite satisfactorily. It resembles reasonably well the experimental results in terms of moment, shear, settlement, and rotation demands. The hysteretic behavior of moment-rotation responses and the rotation-settlement feature are also captured well by the model.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.2
s.54
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pp.11-17
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2007
In current seismic design practice, the response modification factor (R-factor) is used as a factor to reduce the elastic base shear demand to the design force level. As is well-known, the R-factor is a committee-consensus factor and, as such, highly qualitative and empirical. The relationship between the R-factor and the connection rotation capacity available in a particular structural system has remained a missing link. In this paper, a rational procedure to evaluate the R-factor is proposed. To this end, the relationship between the available connection rotation capacity and the R-factor is defined and quantified using nonlinear pushover analysis. An RRS steel frame designed according to IBC 2000 was used to illustrate and verify the proposed procedure. Nonlinear time history analysis results indicated that the R-factor definition proposed in this study is generally conservative from design perspective.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.7
no.1
s.24
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pp.11-20
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2007
The study proposes the method to cancel the scallop to avoid fracture of the circumstance of the scallop at H shape column-to-beam connection and reinforce at beam flange two faces with the cover plates and rib. A total of four specimens were tested to enhance seismic performance of building structure by reducing the frequency of stress concentration and preventing the brittle fracture of scallop. For this purpose, four full-scale test specimens were made and loaded with quasi-static reversed cyclic loading. The main analytical parameters are panel-zone-strength ratio, yield strengths, initial stiffness, total plastic rotation, contribution of each element to total plastic rotation and energy dissipation capability. For the specimens tested under repeated loading, the experimental result was satisfied with seismic performance requirement as the Special Moment Frames (SMF). The analysis results show that all of the test specimens were found to have good performance to 4% story drift and satisfied the criteria for the plastic roation capacity of SMFs that is 0.03 rad. according to the 1997 AISC seismic provision.
This paper presents a study on the flexural stiffness, plastic hinge length and plastic hinge rotation capacity of reinforced high performance concrete beams. 15 beams with different strength of concrete, reinforcement ratio and the pattern of loadings were tested. From the test results of reinforced normal strength concrete beams and reinforced high performance concrete beams with the concrete which has cylinder compressive strength of 700kg/${cm}^2$, slump value of 20~25cm and slump-flow value of 60~70cm. It is found that an extreme fiber concrete compressive strain of ${\varepsilon}_{cu}=0.0047$ may be used in ultimate curvature computations of reinforced high performance concrete beams. An empirical equation is proposed to estimate the effective moment of inertia. length and rotation capacity of plastic hinge of simply supported reinforced high performance concrete beams. The estimated deflections using this equation agree well with the experimental values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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