The objective of the study in this paper was to develop a beam-column element to model members with purely flexural yielding, as well as members with yielding under combined flexure and axial force during severe earthquake ground motins. The developed element can be considered as an one-component series hinge type model. It has the capability to model plastic axial deformation and changes in axial stiffness, and employs hardening rules to handle monotonic, cyclic or arbitrary loading. In general, when compared to experimental results and fiber model predictions, the element showed significantly better performance than the bilinear hinger model and could properly model the beam-column behavior of bare steel members in moment resisting frames. The developed element can more accurately predict local deformation demands and overall responses of structural systems under earthquake loadings than the bilinear hinge element.
Recently, application of composite materials such as fiber reinforced concretes(FRCs) and fiber reinforced plastics(FRPs) in conjunction with conventional structural components has become one of the main research areas. A proper use of advanced composite materials requires understanding their resistance mechanism and failure mode when they are applied to structures or their components. Particular considerations are given in this research to develop an analytical model which can predict the nonlinear flexural responses of bonded and unbonded prestressed concrete beams possibly having layers of different cementitious composite matrices in a section and/or FRP tendons. The block concept is used, which can be regarded as an intermediate modeling method between the couple method with one block and the layered method with multiply sliced layers in a section. In order to find a particular deflection point of a beam under load, solutions to the 2N-variables are found numerically by using approximate N-force equilibrium equations and N-moment equilibirum equations. The model is shown to successfully predict the flexual behavior of variously reinforced bonded and unbonded prestressed concrete beams. The model is also successful in simulating a gradually increasing load after sudden drop inload resistance due to fracture of one or more FRP tendons. This feature is useful in tracing the overall load-deflection response of a beam prestressed with brittle FRP tendons.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.11
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pp.771-776
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2020
In this study, the flexural/shear behavior characteristics of perfobond FRP-concrete composite beams using an FRP plate with perforated webs as formwork and reinforcement are analyzed through an analytical method. Compared with the existing experimental results, we have proved its usefulness and use it in future practice. When the nonlinearity is very large in this case, the nonlinear finite element analysis by an explicit method will be effective. The concrete damage plasticity (CDP) model adopted in this study is considered to be able to adequately simulate the nonlinear behavior of concrete, and the determination of several variable factors required in the model is compared with the experimental results and values used in the study. This recommendation will require review and adjustment for more diverse cases. The effect of the perfobond of the composite beam with perforated web is considered to be somewhat effective in terms of securing the initial stiffness, but in the case of the apex, it is considered that the cross-sectional loss and the effect of improving the bonding force should be properly arranged. The contact problem, such as slipping of the FRP plate and concrete, is considered to be one of the reasons that the initial stiffness is slightly larger than the test result, and the slightly difference from the experimental results is attributed to the separation problem between concrete and FRP after the peak.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.28
no.5
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pp.38-46
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2024
In Korea, more than 60% of the population lives in apartment buildings with wall structures that exhibit brittle behavior during earthquakes. Therefore, in recent performance-based seismic design, the selection of the energy dissipation coefficient for reinforced concrete (RC) walls in nonlinear dynamic analysis is very important. Previous experimental studies have reported that the main factors affecting the energy dissipation capacity of RC walls are the axial force ratio, the spacing of transverse reinforcement of boundary element, and the aspect ratio. The Architectural Institute of Korea and the Korea Concrete Institute proposed a concentrated plastic hinge model and the energy dissipation coefficient for each RC member in the guideline 「Nonlinear Analysis Model for Performance-Based Seismic Design of Reinforced Concrete Building Structures, 2021.」 The proposed equation for the energy dissipation coefficient does not include the factors of axial force ratio and spacing of transverse reinforcement of boundary element. The aspect ratio is applied to the flexural plastic model, despite considering shear-dominated behavior. Therefore, it is necessary to examine the effect of the aspect ratio according to the analysis model. In this study, the influence of each factor on the energy dissipation coefficient was analyzed by comparing the results of existing experimental research, nonlinear analysis using the fiber element model of a nonlinear analysis program(Perform 3D), and the energy dissipation coefficient proposed in the guideline. As the axial force ratio increased, the energy dissipation coefficient decreased, and as the spacing of transverse reinforcement of boundary element decreased, the energy dissipation coefficient increased. Additionally, as the aspect ratio increased, the energy dissipation coefficient tended to increase, with the aspect ratio showing the greatest influence.
Yang, Jae Guen;Baek, Min Chang;Lee, Jae Yun;Lee, Hyung Dong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.26
no.3
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pp.231-240
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2014
The T-stub subjected to an axial tensile force shows various behavior characteristics according to the changes in the diameter and tightening force of the fastener, the geometric shape of the T-stub, and the material properties of the T-stub and fastener. Due to the influence of these changes, the T-stub shows three failure modes: plastic failure after the flexural yielding of the T-stub flange, flexural yielding of the T-stub fillet, and fracture of the fastener. In general, a T-stub with a thin flange and where the gauge distance of the fastener is long has a larger energy dissipation capacity than a T-stub with a thick flange and where the gauge distance of the fastener is short, due to the plastic deformation after flexural yielding. In this study, three-dimensional nonlinear finite element analysis was carried out to determine the effect of the fastener used for fastening the T-stub on the energy dissipation capacity of the T-stub. For the fastener of the T-stub analysis model, F10T-M20 high-tension bolts and ${\varnothing}19.05-mm$ (3/4-inch) SMA bars were modeled, and the geometric shape of the T-stub was selected to represent the flexural yielding of the T-stub fillet and the axial tensile failure of the fastener.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2002.05a
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pp.259-264
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2002
This paper describes an attempt to develop a unified design approach for reinforced concrete short beam failing in shear based on a Arch Factor. Designing for short beam in shear is not as straightforward as designing for flexure due to the complicated interdependency of the variables involved and to the nonexistence of a rational theory tn current design code. Shear failure of reinforced concrete beams with stirrups is influenced greatly because of the actual geometrical shape(a/d) of the concrete and flexural reinforcement steel ratio, stirrup reinforcement ratio and concrete compression strength, size effect etc. The objective of this paper is to present a pilot study to develop a simplified physical model for estimating shear behavior of reinforced concrete short beams. The Key idea incorporated with this model is the Arch factor, introduced by Kim and White.
In this study, fiber elements and a spring are used to build a reinforced concrete shear wall model. The fiber elements and the spring reflect flexural and shear behaviors of the shear wall, respectively. The fiber elements are built by inputting section data and material properties. The spring parameters representing strength and stiffness degradation, pinching, and slip were determined by comparing behaviors of fiber element and VecTor2 results. 'Pinching4' model in OpenSees is used for shear spring. The parameter selecting process for shear spring is a complicated and time consuming process. To study the applicability of the fiber element, reinforced concrete buildings containing a shear wall are evaluated using nonlinear dynamic analysis with various wall aspect ratio (H/L), various beam heights, and stiffness and flexural strength of beam and wall ratios. The aspect ratio of the wall showed distinct difference in IDR (interstory drift ratio) of the models with and without spring. On the other hand, the height of beam and ratio of stiffness and flexural strength of beam and wall did not show clear relation.
The current study looks at the experimental and numerical performance of ferrocement RC channel slabs reinforced with welded steel mesh, expanded steel mesh, and fiber glass mesh individually. Ten RC channel slabs with dimensions of 500 mm×40 mm×2500 mm were subjected to flexural loadings as part of the testing program. The type of reinforcing materials, the number of mesh layers, and the reinforcement volume fraction are the key parameters that can be changed. The main goal is to determine the impact of using new inventive materials to reinforce composite RC channel slabs. Using ANSYS -16.0 Software, nonlinear finite element analysis (NLFEA) was used to simulate the behavior of composite channel slabs. Parametric study is also demonstrated to identify variables that can have a significant impact on the model's mechanical behavior, such as changes in slab dimensions. The obtained experimental and numerical results indicated that FE simulations had acceptable accuracy in estimating experimental values. Also, it's significant to demonstrate that specimens reinforced with fiber glass meshes gained approximately 12% less strength than specimens reinforced with expanded or welded steel meshes. In addition, Welded steel meshes provide 24% increase in strength over expanded steel meshes when reinforcing RC channel slabs. In general, ferrocement specimens tested under flexural loadings outperform conventional reinforced concrete specimens in terms of ultimate loads and energy absorbing capacity.
The current study examines the experimental and numerical performance of reinforced concrete (RC) channel slabs made of ferrocement that have been reinforced with fiber glass, expanded steel mesh, and welded steel mesh. As part of the testing program, ten RC channel slabs with dimensions of 500 mm×40 mm×2500 mm were loaded flexibly. The three main factors that can be altered are the mesh layer count, the type of reinforcing materials, and the reinforcement volume fraction. The main objective is to assess the effects of fortifying composite RC channel slabs with novel inventive materials. ANSYS-16.0 Software was used to simulate the behavior of composite channel slabs using nonlinear finite element analysis (NLFEA). It also shows how parametric analysis can be used to pinpoint variables like variations in slab dimensions that could significantly affect the mechanical behavior of the model. The obtained experimental and numerical results showed that finite element (FE) simulations had a tolerable degree of accuracy in estimating experimental values. It is crucial to show that specimens strengthened with fiber glass meshes gained about 12% lessstrength than specimens strengthened with expanded or welded steel meshes. In addition, RC channel slab reinforcement made of welded steel meshes has a 24% higher strength than expanded steel meshes. Tested under flexural loads, ferrocement specimens outperform conventional reinforced concrete specimens in terms of ultimate loads and energy absorption.
This paper proposes a novel frame element on Winkler-Pasternak foundation for analysis of a non-ductile reinforced concrete (RC) member resting on foundation. These structural members represent flexural-shear critical members, which are commonly found in existing buildings designed and constructed with the old seismic design standards (inadequately detailed transverse reinforcement). As a result, these structures always experience shear failure or flexure-shear failure under seismic loading. To predict the characteristics of these non-ductile structures, efficient numerical models are required. Therefore, the novel frame element on Winkler-Pasternak foundation with inclusion of the shear-flexure interaction effect is developed in this study. The proposed model is derived within the framework of a displacement-based formulation and fiber section model under Timoshenko beam theory. Uniaxial nonlinear material constitutive models are employed to represent the characteristics of non-ductile RC frame and the underlying foundation. The shear-flexure interaction effect is expressed within the shear constitutive model based on the UCSD shear-strength model as demonstrated in this paper. From several features of the presented model, the proposed model is simple but able to capture several salient characteristics of the non-ductile RC frame resting on foundation, such as failure behavior, soil-structure interaction, and shear-flexure interaction. This confirms through two numerical simulations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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