This paper summarizes an experimental and analytical study on the seismic behavior of high strength reinforced concrete columns under cyclic loading. In total six cantilever columns with different sizes and concrete compressive strengths were tested. Three columns, small size, had a $325{\times}325$ mm cross section and the three other columns, medium size, were $520{\times}520$ mm. Concrete compressive strength was 80, 130 and 180 MPa. All specimens were designed in accordance with the Japanese design guidelines. The tests demonstrated that, for specimens made of 180 MPa concrete compressive strength, spalling of cover concrete was very brittle followed by a significant decrease in strength. Curvature was much important for the small size than for the medium size columns. Concrete compressive strength had no effect on the curvature distribution for a drift varying between -2% and +2%. However, it had an effect on the drift corresponding to the peak moment and on the equivalent viscous damping variation. Simple equations are proposed for 1) evaluating the concrete Young's modulus for high strength concrete and for 2) evaluating the moment-drift envelope curves for the medium size columns knowing that of the small size columns. Experimental moment-drift and axial strain-drift histories were well predicted using a fiber model developed by the authors.
It was clear from the former researches on reinforced concrete filled tubular steel (RCFT) structures that RCFT structures have different performance than concrete filled steel tubular (CFT) structures. However, despite of that, load-sharing ratio of RCFT is evaluating by the formula and range of CFT given by JSCE. Therefore, the aim of this investigation is to study the load-sharing ratio of RCFT columns subjected to axial compressive load by performing numerical simulations of RCFT columns with the nonlinear finite element analysis (FEA) program - ADINA. To achieve this goal, firstly proper material constitutive models for concrete, steel tube and reinforcement are proposed. Then axial compression tests of concrete, RC, CFT, and RCFT columns are carried out to verify proposed material constitutive models. Finally, by the plenty of numerical analysis with small-sized and big-sized columns, load-sharing ratio of RCFT columns was studied, the evaluation formulas and range were proposed, application of the formula was demonstrated, and following conclusions were drawn: The FEA model introduced in this paper can be applied to nonlinear analysis of RCFT columns with reliable results; the load-sharing ratio evaluation formula and range of CFT should not be applied to RCFT; The lower limit for the range of load-sharing ratio of RCFT can be smaller than that of CFT; the proposed formulas for load-sharing ratio of RCFT have practical mean in design of RCFT columns.
An efficient and accurate classification method for failure modes of reinforced concrete (RC) columns was proposed based on key characteristic parameters. The weight coefficients of seven characteristic parameters for failure modes of RC columns were determined first based on the support vector machine-recursive feature elimination. Then key characteristic parameters for classifying flexure, flexure-shear and shear failure modes of RC columns were selected respectively. Subsequently, a support vector machine with key characteristic parameters (SVM-K) was proposed to classify three types of failure modes of RC columns. The optimal parameters of SVM-K were determined by using the ten-fold cross-validation and the grid-search algorithm based on 270 sets of available experimental data. Results indicate that the proposed SVM-K has high overall accuracy, recall and precision (e.g., accuracy>95%, recall>90%, precision>90%), which means that the proposed SVM-K has superior performance for classification of failure modes of RC columns. Based on the selected key characteristic parameters for different types of failure modes of RC columns, the accuracy of SVM-K is improved and the decision function of SVM-K is simplified by reducing the dimensions and number of support vectors.
Iman Saffarian;Gholam Reza Atefatdoost;Seyed Abbas Hosseini;Leila Shahryari
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.3
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pp.399-415
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2023
This paper presents the experimental and numerical evaluations on the circular SFRC columns reinforced GFRP rebars under the axial compressive loading. The test programs were designed to inquire and compare the effects of different parameters on the columns' structural behavior by performing experiments and finite element modeling. The research variables were conventional concrete (CC), fiber concrete (FC), types of longitudinal steel/GFRP rebars, and different configurations of lateral rebars. A total of 16 specimens were manufactured and categorized into four groups based on different rebar-concrete arrangements including GRCC, GRFC, SRCC, and SRFC. Adding steel fibers (SFs) into the concrete, it was essential to modify the concrete damage plastic (CDP) model for FC columns presented in the finite element method (FEM) using ABAQUS 6.14 software. Failure modes of the columns were similar and results of peak loads and corresponding deflections of compression columns showed a suitable agreement in tests and numerical analysis. The behavior of GFRP-RC and steel-RC columns was relatively linear in the pre-peak branch, up to 80-85% of their ultimate axial compressive loads. The axial compressive loads of GRCC and GRFC columns were averagely 80.5% and 83.6% of axial compressive loads of SRCC and SRFC columns. Also, DIs of GRCC and GRFC columns were 7.4% and 12.9% higher than those of SRCC and SRFC columns. Partially, using SFs compensated up to 3.1%, the reduction of the compressive strength of the GFRP-RC columns as compared with the steel-RC columns. The effective parameters on increasing the DIs of columns were higher volumetric ratios (up to 12%), using SFs into concrete (up to 6.6%), and spiral (up to 5.5%). The results depicted that GFRP-RC columns had higher DIs and lower peak loads compared with steel-RC columns.
This paper presents a reinforced concrete composite column method in order to improve seismic performance of reinforced concrete column specimens by selectively applying steel fiber-reinforced mortars at the column plastic hinge region. In order to evaluate seismic improvement of the newly developed column method, a series of cyclic load test of column specimens under a constant axial load was investigated by manufacturing three specimens, two reinforced concrete composite columns by applying steel fiber-reinforced mortars at the column plastic hinge region and one conventional reinforced concrete column. Both concrete and steel fiber-reinforced mortar was cast-in placed type. From cyclic load test, it was found that the newly developed steel fiber-reinforced columns showed improved seismic performances than conventional reinforced concrete column in controlling bending and shear cracks as well as improving seismic lateral load-carrying capacities and lateral deformation capacities.
The limitation of the yield strength in reinforced concrete columns is given for the effective use of high-strength steel bar, because very high-strength steel bar does not yield while concrete fails in compression. In order to overcome this limitation, it is required to increase peak strain of the concrete. The objective of this study is to examine the confinement effect of plate type lateral reinforcement in reinforced concrete columns. From this experimental study, the reinforced concrete columns confined by plate type carbon fiber sheets showed higher compressive strength and peak concrete strain comparing to the unconfined columns. The confinement effect is higher when cross-sectional type is a circular one than a square one. Moreover, the confinement effect was also higher for circular type confinement. Based on this study, high-strength steel bars with strength exceeding 800 MPa can be effectively used for reinforced concrete columns confined by plate type lateral reinforcements.
Machine learning (ML) models based on artificial neural network (ANN) and decision tree (DT) were developed for estimation of axial capacity of concrete columns reinforced with fiber reinforced polymer (FRP) bars. Between the design codes, the Canadian code provides better formulation compared to the Australian or American code. For empirical models based on elastic modulus of FRP, Hadhood et al. (2017) model performed best. Whereas for empirical models based on tensile strength of FRP, as well as all empirical models, Raza et al. (2021) was adjudged superior. However, compared to the empirical models, all ML models exhibited superior performance according to all five performance metrics considered. The performance of ANN and DT models were comparable in general. Under the present setup, inclusion of the transverse reinforcement information did not improve the accuracy of estimation with either ANN or DT. With selective use of inputs, and a much simpler ANN architecture (4-3-1) compared to that reported in literature (Raza et al. 2020: 6-11-11-1), marginal improvement in correlation could be achieved. The metrics for the best model from the study was a correlation of 0.94, absolute errors between 420 kN to 530 kN, and the range being 0.39 to 0.51 for relative errors. Though much superior performance could be obtained using ANN/DT models over empirical models, further work towards improving accuracy of the estimation is indicated before design of FRP reinforced concrete columns using ML may be considered for design codes.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.2
s.48
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pp.73-81
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2006
The purpose of this study is to investigate the inelastic behavior of reinforced high-strength concrete bridge columns. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model ol reinforcing steel. The smeared rack approach is incorporated. The increase of concrete strength due to the lateral confining reinforcement has been also taken into account to model the confined high-strength concrete. The proposed numerical method for the inelastic behavior of reinforced high-strength concrete bridge columns is verified by comparison with reliable experimental results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.2
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pp.67-73
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2003
The purpose of this study is to evaluate seismic performance of reinforced concrete bridge columns under varying axial force. A computer program, named RCAHEST(reinforced concrete analysis in higher evaluation system technology), for the analysis for reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. The smeared crack approach is incorporated. In boundary plane at which each member with different thickness is connected, local discontinuity in deformation due to the abrupt change in their stiffness can be taken into account by introducing interface element. The effect of number of load reversals with the same displacement amplitude has been also taken into account to model the reinforcing steel and concrete. The proposed numerical method for seismic performance evaluation of reinforced concrete bridge columns under varying axial force is verified by comparison with reliable experimental results.
Geometric nonlinearity can significantly affect load-carrying capacity of slender columns. Dependence of structural stability on columns necessitates the consideration of second-order effects in the design process of columns, appropriately. On the whole, the design codes present a simplified procedure for second order analysis of slender columns. In this approximate method, the end moments of columns resulted from linear analysis (first-order) are multiplied by the recommended moment amplification factors of codes to achieve magnified moments of the second-order analysis. In the other approach, the equilibrium equations are directly solved for the deformed configuration of structure, so the resulting moments and deflections contain the influence of slenderness and increase more rapidly than do loads. The aim of this study is to evaluate the accuracy of moment amplification factors of Iranian national building code whose provisions are similar to the ACI requirement. Herein, finite element method is used to achieve magnified end moments of reinforced concrete moment resisting frames, and the outcomes are compared with the moments acquired based on the proposed approximate method by Iranian national building code. The results show that the approximate method of Iranian code for calculating magnified moments has significant errors for both unbraced and braced columns.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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