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.
A nonlinear Finite Element (FE) algorithm is proposed to analyze the Reinforced Concrete (RC) columns subjected to Cyclic Loading (CL), Cyclic Oriented Lateral Force and Axial Loading (COLFAL), Monotonic Loading (ML) or Oriented Pushover Force and Axial Loading (OPFAL) in any direction. In the proposed algorithm, the following parameters are considered: uniaxial behavior of concrete and steel elements, the pseudo-plastic hinge produced in the critical sections, and global behavior of RC columns. In the proposed numerical simulation, the column is discretized into two Macro-Elements (ME) located between the pseudo-plastic hinges at critical sections and the inflection point. The critical sections are discretized into Fixed Rectangular Finite Elements (FRFE) in general cases of CL, COLFAL or ML and are discretized into Variable Oblique Finite Elements (VOFE) in the particular cases of ML or OPFAL. For pushover particular case, a fairly fast converging and properly accurate nonlinear simulation method is proposed to assess the behavior of RC columns. The proposed algorithm has been validated by the results of tests carried out on full-scale RC columns.
Liu, Si-Wei;Chan, Jake Lok Yan;Bai, Rui;Chan, Siu-Lai
Steel and Composite Structures
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v.29
no.5
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pp.623-633
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2018
A robust element is essential for successful design of steel frames with Direct analysis (DA) method. To this end, an innovative and efficient curved-quartic-function (CQF) beam-column element using the fourth-order polynomial shape function with end-springs in series is proposed for practical applications of DA. The member initial imperfection is explicitly integrated into the element formulation, and, therefore, the P-${\delta}$ effect can be directly captured in the analysis. The series of zero-length springs are placed at the element ends to model the effects of semi-rigid joints and material yielding. One-element-per-member model is adopted for design bringing considerable savings in computer expense. The incremental secant stiffness method allowing for large deflections is used to describe the kinematic motion. Finally, several problems are studied in this paper for examining and validating the accuracy of the present formulations. The proposed element is believed to make DA simpler to use than existing elements, which is essential for its successful and widespread adoption by engineers.
In the present study, the seismic performance of structural walls with boundary elements confined by conventional tie hoops and steel fiber concrete (SFC) was investigated. Cyclic lateral loading tests on four wall specimens under constant axial load were performed. The primary test parameters considered were the spacing of boundary element transverse reinforcement and the use of steel fiber concrete. Test results showed that the wall specimen with boundary elements complying with ACI 318-11 21.9.6 failed at a high drift ratio of 4.5% due to concrete crushing and re-bar buckling. For the specimens where SFC was selectively used in the plastic hinge region, the spalling and crushing of concrete were substantially alleviated. However, sliding shear failure occurred at the interface of SFC and plain concrete at a moderate drift ratio of 3.0% as tensile plastic strains of longitudinal bars were accumulated during cyclic loading. The behaviors of wall specimens were examined through nonlinear section analysis adopting the stress-strain relationships of confined concrete and SFC.
This study investigated the yielding capacity and performance of seismic dampers constructed with steel ring plates using numerical and analytical approaches. This study aims to provide an analytical relationship for estimating the yielding capacity and initial stiffness of steel ring dampers. Using plastic analysis and considering the mechanism of plastic hinge formation, a relation has been obtained for estimating the yielding capacity of steel ring dampers. Extensive parametric studies have been carried out using a nonlinear finite element method to examine the accuracy of the obtained analytical relationships. The parametric studies include investigating the influence of the length, thickness, and diameter of the ring of steel ring dampers. To this end, comprehensive verification studies are performed by comparing the numerical predictions with several reported experimental results to demonstrate the numerical method's reliability and accuracy. Comparison is made between the hysteresis curves, and failure modes predicted numerically or obtained/observed experimentally. Good agreement is observed between the numerical simulations and the analytical predictions for the yielding force and initial stiffness. The difference between the numerical models' ultimate tensile and compressive capacities was observed that average of about 22%, which stems from the performance of the ring-dampers in the tensile and compression zones. The results show that the steel ring-dampers are exhibited high energy dissipation capacity and ductility. The ductility parameters for steel ring-damper between values were 7.5 to 4.1.
In this paper, semi-rigid elasto-plastic post-buckling analysis of a space frame was performed using various explicit arc-length methods. Various explicit arc-length methodsand a large-deformation and small-strain elasto-plastic 3D space frame element with semi-rigid connections and plastic hinges were developed. This element can be appliedto both explicit and implicit numerical algorithms. In this study, the Dynamic Relaxation method was adopted in the predictor and corrector processesto formulate an explicit arc-length algorithm. The developed "explicit-predictor" or "explicit-corrector" were used in the elasto-plastic post-buckling analysis. The Eulerian equations for a beam-column with finite rotation, which considers the bowing effects, were adopted for the elastic system and extended to theinelastic system with a plastic hinge concept. The derived tangent stiffness matrix was asymmetrical due to the finite rotation. The joint connection elements were introduced for semi-rigidity using a static condensation technique. Semi-rigid elasto-plastic post-buckling analyses were carried out to demonstrate the potential of the developed explicit arc-length method and advanced space frame element in terms of accuracy and efficiency.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.12
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pp.2011-2018
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2003
To analyze the bending collapse behavior of an aluminum square tube beam under a bending load, a finite element simulation for the four-point bending test has been performed. Using an aluminum tube beam specimen partly inserted with two steel bars, the local buckling deformation near the center of the tube beam was induced. The maximum bending load and the bending collapse behavior obtained from the numerical simulation were in good agreement with experimental results. Using a combination of the four-point bending test and its finite element simulation, analysis of the local buckling and the accompanied bending collapse behavior of aluminum tube beam could be quantitative accomplished.
The entire nonlinear behavior of reinforced concrete frames up to collapse, is analyzed by the displacement control method and the combined layered and nonlayered method. All of the rigidities of section are calculated approximately by a sum over all the layers for the layered method, are used the integral values over the cross section area for the nonlayered method. The spurious sensitivity to the chosen element size in the result of analysis by finite element method for the materials with strain-softening can be overcome by modifying the strain distribution based on the concept of fracture energy at plastic hinge considering the applied axial load.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.6
no.3
s.22
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pp.29-35
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2006
Fiber element method in earthquake response analysis of bridges is used to represents a realistic flexural deformation according to nonlinear behavior of beam-column section. Nonlinear pseudo-static analysis of two column bent using fiber element is accomplished and failure mechanism of the plastic hinge region is studied. Load-displacement curve obtained by nonlinear pseudo-static analysis can be applicable to earthquake response analysis by capacity spectrum method. The nonlinear time history analysis of a full bridge model using fiber element experienced by the ground motion corresponding to the target response spectrum is accomplished. The result of time history analysis is similar to that of capacity spectrum method.
The effect of reinforcing concrete members with high strength steel bars with yield strength up to 600 MPa on the overall seismic behavior of concrete moment frames was studied experimentally and numerically. Three geometrically identical plane frame models with two bays and two stories, where one frame model was reinforced with hot rolled bars (HRB) with a nominal yield strength of 335 MPa and the other two by high strength steel bars with a nominal yield strength of 600 MPa, were tested under simulated earthquake action considering different axial load ratios to investigate the hysteretic behavior, ductility, strength and stiffness degradation, energy dissipation and plastic deformation characteristics. Test results indicate that utilizing high strength reinforcement can improve the structural resilience, reduce residual deformation and achieve favorable distribution pattern of plastic hinges on beams and columns. The frame models reinforced with normal and high strength steel bars have comparable overall deformation capacity. Compared with the frame model subjected to a low axial load ratio, the ones under a higher axial load ratio exhibit more plump hysteretic loops. The proved reliable finite element analysis software DIANA was used for the numerical simulation of the tests. The analytical results agree well with the experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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