In the case of seismic-resistant composite dual moment resisting and eccentrically braced frames, the current design practice is to avoid the disposition of shear connectors in the expected plastic zones, and consequently to consider a symmetric moment or shear plastic hinges, which occur only in the steel beam or link. Even without connectors, the real behavior of the hinge may be different from the symmetric assumption since the reinforced concrete slab is connected to the steel element close to the hinge locations, and also due to contact friction between the concrete slab and the steel element. At a larger level, the structural response in the case of important seismic motions depends directly on the elasto-plastic behavior of elements and hinges. The numerical investigation presented in this study summarizes the results of elasto-plastic analyses of several steel frames, considering the interaction of the steel beam with the concrete slab. Several parameters, such as the inter-story drift, plastic rotation requirements and behavior factors q were monitored. In order to obtain accurate results, adequate models of plastic hinges are proposed for both the composite short link and composite reduced beam sections.
This paper proposes Headed bar as reinforcement of beam-column joint, and proves seismic performance and reduction of reinforcement congestion. In these case, the use of Headed bars have obvious advantages. The greatest benefit of using Headed bars is not only improved structural performance of beam-column joints, but also the ease of fabrication, construction, and placement. Three-dimensional finite element analysis model is compared with test program which was fulfilled by the proposed model with Headed bar. Also, the plastic hinge region is relocated to the center of the longitudinal beam length according to the strong column-weak beam design philosophy, so Headed bar is used as the joint reinforcement. Therefore, this paper presents results of a computer analysis of a practical solution for relocating potential beam plastic hinge regions by the placing of straight - Headed bar.
A nonlinear semi-three-dimensional layered finite element procedure is developed for cracking and failure analysis of reinforced concrete beams and the spandrel beam-column-slab connections of flat plates. The layered element approach takes the elasto-plastic failure behaviour and geometric nonlinearity into consideration. A strain-hardening plasticity concrete model and a smeared steel model are incorporated into the layered element formulation. Further, shear failure, transverse reinforcement, spandrel beams and columns are successfully modelled. The proposed method incorporating the nonlinear constitutive models for concrete and steel is implemented in a finite element program. Test specimens including a series of reinforced concrete beams and beam-column-slab connections of flat plates are analysed. Results confirm the effectiveness and accuracy of the layered procedure in predicting both flexural and shear cracking up to failure.
Experimental and numerical studies of a newly developed Reduced Beam Section (RBS) connection, called Tubular Web RBS connection (TW-RBS) have been recently conducted. This paper presents experimental and numerical results of extending the plastic hinge length on the beam flange to increase energy dissipation of a proposed version of the TW-RBS connection with two pipes, (TW-RBS(II)), made by replacing a part of flat web with two steel tubular web at the desirable location of the beam plastic hinge. Two deep-beam specimens with two pipes are prepared and tested under cyclic loads. Obtained results reveal that the TW-RBS(II) like its type I, increases story drift capacity up to 6% in deep beam much more than that stipulated by the current seismic codes. Based on test results, the proposed TW-RBS(II) helps to dissipate imposed energy up to 30% more than that of the TW-RBS(I) specimens at the same story drift and also reduces demands at the beam-to-column connection up to 30% by increasing plastic hinge length on the beam flange. The TW-RBS(II) specimens are finally simulated using finite element method showing good agreement with experimental results.
Pak, Hongrak;Kang, Moon Soo;Kang, Jun Won;Kee, Seong-Hoon;Choi, Byong-Jeong
국제강구조저널
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제18권4호
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pp.1177-1190
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2018
This study presents an analytical framework for estimating the thermo-mechanical behavior of a composite beam exposed to fire. The framework involves: a fire simulation from which the evolution of temperature on the structure surface is obtained; data transfer by an interface model, whereby the surface temperature is assigned to the finite element model of the structure for thermo-mechanical analysis; and nonlinear thermo-mechanical analysis for predicting the structural response under high temperatures. We use a plastic-damage model for calculating the response of concrete slabs, and propose a method to determine the stiffness degradation parameter of the plastic-damage model by a nonlinear regression of concrete cylinder test data. To validate simulation results, structural fire experiments have been performed on a real-scale steel-concrete composite beam using the fire load prescribed by ASTM E119 standard fire curve. The calculated evolution of deflection at the center of the beam shows good agreement with experimental results. The local test results as well as the effective plastic strain distribution and section rotation of the composite beam at elevated temperatures are also investigated.
A nonlinear finite element analysis using ANSYS is used to evaluate the seismic behavior of reinforced concrete exterior beam-column joints. The behavior of the finite element models under cyclic loading is compared with the experimental results. Two beam-column joint specimens (SH and SHD) with square hoop confinement in joint and throughout the column with detailing as per IS 13920 are studied. The specimen SHD was provided with additional diagonal bars from column to beam to relocate the plastic hinge formation from beam-column interface. The load-displacement relationship, joint shear stress and strain in beam obtained from numerical study showed good agreement with the experimental results. This investigation proves that seismic behaviour of reinforced concrete beam-column joints under reversed cyclic loading can be evaluated successfully using finite element modeling and analysis.
This paper presents strut-and-tie models for predicting shear strength of RC interior beam-column joints considering the plastic hinge rotation of adjacent beams. On seismic design of frame system, it is controlled beams to occur plastic hinges and to be ductile so as to dissipate earthquake energy efficiently. The plastic hinge deformation of beams is used as analysis parameter in terms of strain of beam tensile bars at column face. The shear strengths of beam-column joints are evaluated by combining direct strut mechanism with truss mechanism. It is assumed that the max force transferred by direct strut mechanism is based on the strength of cracked concrete element, and that by truss mechanism is based on bond capacity.
In this paper, quasi-static tests were carried out on three prefabricated reinforced concrete column-steel beam (RCS) sub-assemblages with floor slabs and one comparison specimen without floor slab. The effects of axial compression and floor slab on the seismic performance were studied, and finite element simulations were conducted using ABAQUS. The results showed that the failure of prefabricated RCS sub-assemblages with floor occurred as a joint beam and column failure mode, while failure of sub-assemblages without floor occurred due to beam plastic hinge formation. Compared to the prefabricated RCS sub-assemblages without floor slab, the overall stiffness of the sub-assemblages with floor slab was between 19.2% and 45.4% higher, and the maximum load bearing capacity increased by 26.8%. However, the equivalent viscosity coefficient was essentially unchanged. When the axial compression ratio increased from 0.24 to 0.36, the hysteretic loops of the sub-assemblages with floor became fuller, and the load bearing capacity, ductility, and energy dissipation capacity increased by 12.1%, 12.9% and 8.9%, respectively. Also, the initial stiffness increased by 10.2%, but the stiffness degradation accelerated. The proportion of column drift caused by beam end plastic bending and column end bending changed from 35% and 46% to 47% and 36%, respectively. Comparative finite element analyses indicated that the numerical simulation outcomes agreed well with the experimental results.
The purpose of this paper is to numerically assess the seismic performance of deteriorated reinforced concrete columns using a new plastic-hinge element. Developing a three dimensional (3D) nonlinear model can be difficult and computationally complex, and there can be problems applying it in the field. Thus, to solve these problems, a plastic-hinge element that could considers the shear deformation of deteriorated reinforced concrete columns was proposed. The developed element was based on the Timoshenko beam model and used two nodes with six degrees of freedom and a zero-length element. Moreover, the developed model could consider the combined effects of corrosion, as demonstrated by the reduced reinforcement area and the loss of bond. Consequently, the numerical procedures developed for evaluating the seismic performance of deteriorated columns were validated by comparing the verification results.
This paper presents a method of elastic-plastic analysis for planar steel frames that provides the accuracy of distributed plasticity methods with the computational efficiency that is greater than that of distributed plasticity methods but less than that of plastic-hinge based methods. This method accounts for the effect of spread of plasticity accurately without discretization through the cross-section of a beam-column element, which is achieved by the following procedures. First, nonlinear equations describing the relationships between generalized stresses and strains of the cross-section are derived analytically. Next, nonlinear force-deformation relationships for the beam-column element are obtained through lengthwise integration of the generalized strains. Elastic-plastic flexibility coefficients are then calculated by differentiating the above element force-deformation relationships. Finally, an elastic-plastic stiffness matrix is obtained by making use of the flexibility-stiffness transformation. Adding the conventional geometric stiffness matrix to the elastic-plastic stiffness matrix results in the tangent stiffness matrix, which can readily be used to evaluate the load carrying capacity of steel frames following standard nonlinear analysis procedures. The accuracy of the proposed method is verified by several examples that are sensitive to the effect of spread of plasticity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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