In this study, a numerical procedure based on the finite element method for materially and geometrically nonlinear analysis of reinforced and prestressed concrete slender columns with arbitrary section subjected to combined biaxial bending and axial load is developed. In order to overcome the low computer efficiency of the conventional section integration method in which the reinforced concrete section is divided into a large number of small areas, an efficient section integration method is used to determine the section tangent stiffness. In this method, the arbitrary shaped cross section is divided into several concrete trapezoids according to boundary vertices, and the contribution of each trapezoid to section stiffness is determined by integrating directly the trapezoid. The space frame flexural theory is utilized to derive the element tangent stiffness matrix. The nonlinear full-range member response is traced by an updated normal plane arc-length solution method. The analytical results agree well with the experimental ones.
An improved method has been developed for the computation of the section forces and stiffness in nonlinear finite element analysis of RC plane frames. The need for a new approach arises because the conventional technique may have a questionable level of efficiency if a large number of layers is specified and a questionable level of accuracy if a smaller number is used. The proposed technique is based on automatically dividing the section into zones of similar state of stress and tangent modulus and then numerically integrating within each zone to evaluate the sectional stiffness parameters and forces. In the new system, the size, number and location of the layers vary with the state of the strains in the cross section. The proposed method shows a significant improvement in time requirement and accuracy in comparison with the conventional layered approach. The computer program based on the new technique has been used successfully to predict the experimental load-deflection response of a RC frame and good agreement with test and other numerical results have been obtained.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.4A
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pp.577-585
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2006
In this research, nonlinear Timoshenko beam element that is able to capture nonlinear shear deformation is developed. The proposed model shows more reasonable prediction than Bernoulli beam theory in short columns or strong shear column due to the consideration of shear deformation. The cross-section is modeled as fiber approach. Since the model is based on the fiber approach for section discretization, the plastic progress of the section can be traced and the coupling effect of the axial and flexural response. The developed element is implemented into the finite element program to analysis general reinforced concrete structures. As parametric study, reinforced concrete columns are analyzed and compared with experimental results, analyzed the property of behavior for reinforced concrete columns.
In this paper the formulation of an efficient frame element applicable for nonlinear analysis of 3D reinforced concrete (RC) frames is outlined. Interaction between axial force and bending moment is considered by using the fibre element approach. Further, section warping, effect of normal and tangential forces on the torsional stiffness of section and second order geometrical nonlinearities are included in the model. The developed computer code is employed for nonlinear static analysis of RC sub-assemblages and a simple approach for extending the formulation to dynamic cases is presented. Dynamic progressive collapse assessment of RC space frames based on the alternate path method is undertaken and dynamic load factor (DLF) is estimated. Further, it is concluded that the torsional behaviour of reinforced concrete elements satisfying minimum standard requirements is not significant for the framed structures studied.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.9
no.3
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pp.111-119
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2005
The objective of this study is to predict fracture movements accurately and reliably by nonlinear analysis of the response of RC shear wall or RC flange sections. Hognestad's and Vallenas's theories are used for concrete model and Ramberg-Osgood's theory is used for steel model. Non-linear analysis considering confined concrete and unconfined concrete is performed. Mander's Fiber Approach Section analysis, new strain profile considering the Gamma factor are used to this section analysis. The section analysis considering cases of precracked, uncracked, boundary warping and shear warping is performed.
Nonlinear behavior in fluid-structure interaction (FSI) of bridge decks becomes increasingly significant for modern bridges with increasing spans, larger flexibility and new aerodynamic deck configurations. Better understanding of the nonlinear aeroelasticity of bridge decks and further development of reduced-order nonlinear models for the aeroelastic forces become necessary. In this paper, the amplitude-dependent and neutral angle dependent nonlinearities of the motion-induced loads are further highlighted by series of computational fluid dynamics (CFD) simulations. An effort has been made to investigate a semi-analytical time-domain model of the nonlinear motion induced loads on the deck, which enables nonlinear time domain simulations of the aeroelastic responses of the bridge deck. First, the computational schemes used here are validated through theoretically well-known cases. Then, static aerodynamic coefficients of the Great Belt East Bridge (GBEB) cross section are evaluated at various angles of attack, leading to the so-called nonlinear backbone curves. Flutter derivatives of the bridge are identified by CFD simulations using forced harmonic motion of the cross-section with various frequencies. By varying the amplitude of the forced motion, it is observed that the identified flutter derivatives are amplitude-dependent, especially for $A^*_2$ and $H^*_2$ parameters. Another nonlinear feature is observed from the change of hysteresis loop (between angle of attack and lift/moment) when the neutral angles of the cross-section are changed. Based on the CFD results, a semi-analytical time-domain model for describing the nonlinear motion-induced loads is proposed and calibrated. This model is based on accounting for the delay effect with respect to the nonlinear backbone curve and is established in the state-space form. Reasonable agreement between the results from the semi-analytical model and CFD demonstrates the potential application of the proposed model for nonlinear aeroelastic analysis of bridge decks.
This paper presents a nonlinear analysis of reinforced concrete column with lap splice confined by FRP wrapping in the critical hinging zone. The steel stress-slip model derived from the tri-uniform bond stress model presented in the companion paper is included in the nonlinear frame analysis to simulate the response of reinforced concrete columns subjected to cyclic displacement reversals. The nonlinear modeling is based on a fiber discretization of an RC column section. Each fiber is modeled as either nonlinear concrete or steel spring, whose load-deformation characteristics are calculated from the section of fiber and material properties. The steel spring that models the reinforcing bars consists of three sub-springs, i.e., steel bar sub-spring, lap splice spring, and anchorage bond-slip spring connected in series from top to bottom. By combining the steel stress versus slip of the lap splice, the stress-deformation of steel bar and the steel stress-slip of bars anchored into the footing, the nonlinear steel spring model is derived. The analytical responses are found to be close to experimental ones. The analysis without lap splice springs included may result in an erroneous overestimation in the strength and ductility of columns.
This paper presents the section model for analysis of RC circular tower structures based on nonlinear material laws. The governing equations for normal strains due to the bending moment and the normal force are derived in the case when openings are located symmetrically in respect to the bending direction. In this approach the additional reinforcement at openings is also taken into account. The mathematical model is expressed in the form of a set of nonlinear equations which are solved by means of the minimization of the sums of the second powers of the residuals. For minimization the BFGS quasi-Newton and/or Hooke-Jeeves local minimizers suitably modified are applied to take into account the box constraints on variables. The model is verified on the set of data encountered in engineering practice. The numerical examples illustrate the effects of the loading eccentricity and size of the opening on the strains and stresses in concrete and steel in the cross-sections under consideration. Calculated results indicate that the additional reinforcement at the openings increases the resistance capacity of the section by several percent.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.2
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pp.105-114
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2017
Nonlinear analysis for seismic performance evaluation of existing building usually takes 4~5 times more than linear analysis based on KBC code. To obtain accurate results from the nonlinear analysis, there are a lot of things to be considered for nonlinear analysis modeling. For example, reinforcing layout, applied load and seismic details affect behavior of structural members for the existing building. Engineer-oriented computerized system was developed for engineers to evaluate effective seismic performance of existing buildings with abiding by seismic design principles. Using the engineer-oriented program, seismic performance evaluation of reinforced concrete building was performed. Nonlinear hinge properties were applied with real time multiple consideration such as section layout, section analysis result, applied load and performance levels. As a result, the building was evaluated to satisfy LS(Life Safety) performance level. A comparison between engineer-oriented and program-oriented results is presented to show how important the role of structural engineer is for seismic performance evaluation of existing buildings.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.19
no.5
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pp.239-246
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2015
Reinforced concrete shear walls are effective for resisting lateral loads imposed by wind or earthquakes. Observed damages of the shear wall in recent earthquakes in Chile(2010) and New Zealand(2011) exceeded expectations. Various analytical models have been proposed in order to incorporate such response features in predicting the inelastic response of RC shear walls. However, the model has not been implemented into widely available computer programs, and has not been sufficiently calibrated with and validated against extensive experimental data at both local and global response levels. In this study, reinforced concrete shear walls were modeled with fiber slices, where cross section and reinforcement details of shear walls can be arranged freely. Nonlinear analysis was performed by adding nonlinear shear spring elements that can represent shear deformation. This analysis result will be compared with the existing experiment results. To investigate the nonlinear behavior of reinforced concrete shear walls, reinforced concrete single shear walls with rectangular wall cross section were selected. The analysis results showed that the yield strength of the shear wall was approximately the same value as the experimental results. However, the yielding displacement of the shear wall was still higher in the experiment than the analysis. The analytical model used in this study is available for the analysis of shear wall subjected to high axial forces.
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