In this report, the test results of five reinforced concrete beam-column joint subjected to cyclic load are presented. The main purpose of the research is to investigate the influence of the steel pull-out of the beam-column joints to the shear and ductile capacity of the RC beam-column assembles. In addition, the influence of the amount of beam reinforcement to the joint shear and ductile capacity is evaluated. Test results indicate that the yield penetration of steel bar increases as the joint shear strength ratio, $V_{j1}/V_{jby}$ decreases. And the slippage of the steel bars are varied according to the region of the beam-column joints. The pull-out of the steel bars of five specimens was almost the same regardless of the joint shear strength ratio, $V_{j1}/V_{jby}$. Because it was affected by not only the yield penetration of steel bar but also the axial elongation in the plastic hinge.
Al-Osta, Mohammed A.;Khan, Muhammad I.;Bahraq, Ashraf A.;Xu, Shi-Yu
Earthquakes and Structures
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v.19
no.5
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pp.361-377
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2020
In the present research work, the effectiveness and the efficiency of a retrofitting approach using a layer of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) jacket for damaged substandard exterior beam-column joints (BCJs) is experimentally investigated. The main objective of this study is to rehabilitate the already damaged BCJs to meet the serviceability requirements without compromising safety. According to the proposed strengthening technique, a chipped surface, lightly brushed with a dry condition was selected for making a successful bond between normal concrete substrate surface (NCSS) and UHPFRC. Then a fresh UHPFRC jacket with a thickness of 30 mm was cast around the damaged specimens. The entire test matrix was comprised of three 1/3 scale damaged exterior BCJs with a different column axial load (CAL). These specimens were repaired with UHPFRC and retested under monotonic loading. Based on the experimental results, repaired specimens showed an excellent performance in terms of their load-displacement response, maximum strength, displacement ductility, initial stiffness, secant stiffness and energy dissipation capacity when compared with the corresponding values registered when these specimens were tested in their virgin state. This rehabilitative intervention not only restored the strength, stiffness, ductility and energy dissipation capacity of severely damaged specimens but also improved their performance.
Large-scale earthquakes pose serious threats to infrastructure causing substantial damage and large residual deformations. Superelastic (SE) Shape-Memory-Alloys (SMAs) are unique alloys with the ability to undergo large deformations, but can recover its original shape upon stress removal. The purpose of this research is to exploit this characteristic of SMAs such that concrete Beam-Column Joints (BCJs) reinforced with SMA bars at the plastic hinge region experience reduced residual deformation at the end of earthquakes. Another objective is to evaluate the seismic performance of SMA Reinforced Concrete BCJs repaired with flowable Structural-Repair-Concrete (SRC). A $\frac{3}{4}$-scale BCJ reinforced with SMA rebars in the plastic-hinge zone was tested under reversed cyclic loading, and subsequently repaired and retested. The joint was selected from an RC building located in the seismic region of western Canada. It was designed and detailed according to the NBCC 2005 and CSA A23.3-04 recommendations. The behaviour under reversed cyclic loading of the original and repaired joints, their load-storey drift, and energy dissipation ability were compared. The results demonstrate that SMA-RC BCJs are able to recover nearly all of their post-yield deformation, requiring a minimum amount of repair, even after a large earthquake, proving to be smart structural elements. It was also shown that the use of SRC to repair damaged BCJs can restore its full capacity.
Nguyen, Anh P.;Banh, Thanh T.;Lee, Dongkyu;Lee, Jaehong;Kang, Joowon;Shin, Soomi
Steel and Composite Structures
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v.29
no.5
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pp.635-645
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2018
Beam-column joints play a significant role in static and dynamic performances of reinforced concrete frame structures. This study contributes a numerical approach of topologically optimal design of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) to retrofit existing beam-column connections with crack patterns. In recent, CFRP is used commonly in the rehabilitation and strengthening of concrete members due to the remarkable properties, such as lightweight, anti-corrosion and simplicity to execute construction. With the target to provide an optimal CFRP configuration to effectively retrofit the beam-column connection under semi-failure situation such as given cracks, extended finite element method (X-FEM) is used by combining with multi-material topology optimization (MTO) as a mechanical description approach for strong discontinuity state to mechanically model cracked structures. The well founded mathematical formulation of topology optimization problem for cracked structures by using multiple materials is described in detail in this study. In addition, moved and regularized Heaviside functions (MRHF), that have the role of a filter in multiple materials case, is also considered. The numerical example results illustrated in two cases of beam-column joints with stationary cracks verify the validity, benefit and supremacy of the proposed method.
This paper reports part of a comprehensive research study conducted at the University of Queensland on the ability of CFRP web-bonded systems in strengthening an exterior beam-column joint subjected to monotonic loads. One 1/2.2 scaled plain and four CFRP repaired/retrofitted joints subjected to monotonic loads were analysed using the nonlinear finite-element program ANSYS and the results were calibrated against experiments. The ANSYS model was employed in order to account for tension stiffening in concrete after cracking and a modified version of the Hognestad's model was used to model the concrete compressive strength. The stress-strain properties of main steel bars were modelled using multilinear isotropic hardening model and the FRPs were modelled as anisotropic materials. A perfect bond was assumed as nodes were shared between adjacent elements irrespective of their type. Good agreement between the numerical predictions and the experimental observation of the failure mechanisms for all specimens were observed. Closeness of these results proved that the numerical analysis can be used by design engineers for the analysis of web-bonded FRP strengthened beam-column joints with confidence.
Attempts at improving beam-column joint performance has resulted in non-conventional ways of reinforcement such as the use of the crossed inclined bars in the joint area. Despite the wide accumulation of test data, the influence of the crossed inclined bars on the shear strength of the cyclically loaded exterior beam-column joints has not yet been quantified and incorporated into code recommendations. In this study, the investigation of joints has been pursued on two different fronts. In the first approach, the parameters that influence the behaviour of the cyclically loaded beam-column joints are investigated. Several parametric studies are carried out to explore the shear resisting mechanisms of cyclically loaded beam-column joints using an experimental database consisting of a large number of joint tests. In the second approach, the mechanical behaviour of joints is investigated and the equations for the principal tensile strain and the average shear stress are derived from joint mechanics. It is apparent that the predictions of these two approaches agree well with each other. A design equation that predicts the shear strength of the cyclically loaded exterior beam-column joints is proposed. The design equation proposed has three major differences from the previously suggested design equations. First, the influence of the bond conditions on the joint shear strength is considered. Second, the equation takes the influence of the shear transfer mechanisms of the crossed inclined bars into account and, third, the equation is applicable on joints with high concrete cylinder strength. The proposed equation is compared with the predictions of the other design equations. It is apparent that the proposed design equation predicts the joint shear strength accurately and is an improvement on the existing code recommendations.
Kheyroddin, Ali;Khalili, Ali;Emami, Ebrahim;Sharbatdar, Mohammad K.
Steel and Composite Structures
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v.21
no.2
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pp.443-460
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2016
In this paper, the efficiency and effectiveness of two strengthening methods for upgrading behavior of the two external weak reinforced concrete (RC) beam-column joints were experimentally investigated under cyclic loading. Since two deficient external RC joints with reduced beam height and low strength concrete were strengthened using one-way steel prop and curbs with and without steel revival sheets on the beam. The cyclic performance of these strengthened specimens were compared with two another control external RC beam-column joints, one the standard RC joint that had not two mentioned deficiencies and another had both. Therefore, four half-scale RC joints were tested under cyclic loading.The experimental results showed that these innovative strengthening methods (RC joint with revival sheet specially) surmounted the deficiencies of weak RC joints and upgraded their performance and bearing capacity, stiffness degradation, energy absorption, up to those of standard RC joint. Also, results exhibited that the prop at joint acted as a fuse element due to adding steel revival sheets on the RC beam and showed better behavior than that of the specimen without steel revival sheets. In other words by stiffening of beam, the prop collected all damages due to cyclic loading at itself and acted as the first line of defense and prevented from sever damages at RC joint.
Kim, Seung-Eock;Choi, Ji-Hun;Pham, Thai-Hoan;Truong, Viet-Hung;Kong, Zhengyi;Duong, Nguyen-The;Vu, Quang-Viet
Steel and Composite Structures
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v.37
no.1
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pp.75-90
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2020
This paper introduces a new composite joint, which is the composite CFST beam- concrete column joint, and it is more convenient for transportation and erection than conventionally welded joints. The main components of this joint include steel H-beams welded with CFST beams, reinforced concrete columns, and reinforced concrete slabs. The steel H-beams and CFST beams are connected with a concrete slab using shear connectors to ensure composite action between them. An experimental investigation was conducted to evaluate the proposed composite joint performance. A three-dimensional (3D) finite element (FE) model was developed and analyzed for this joint using the ABAQUS/explicit. The FE model accuracy was validated by comparing its results with the relevant test results. Additionally, the parameters that consisted of the steel box beam thickness, concrete compressive strength, steel yield strength, and reinforcement ratio in the concrete slab were considered to investigate their influence on the proposed joint performance.
The beam-column assembly in a ductile reinforced concrete (RC) frames subjected to seismic loading are generally controlled by shear and bond mechanisms, both of which exhibit poor hysteretic properties. Hence the response of joints is restricted essentially to the elastic domain. The usual earthquake resistant design philosophy of ductile frame buildings allows the beams to form plastic hinges adjacent to beam-column assembly. Increased strain in these plastic hinge regions affect on joint strain to be increased. Thus bond and shear joint strength are decreased. The research reported in this paper presents the test results of five RC beam-column assembly after developing plastic hinges in beams. Main parameter of the test Joints was the amount of the longitudinal tensile reinforcement of the beams. Test results indicted that the ductile capacity of joints increased as the longitudinal tensile reinforcement of the beams decreased. In addition, both the tensile strain of the longitudinal reinforcement bars in the joint and the ductile ratio of the beam-column assemblages increased due to the yielding of steel bars in the plastic hinge regions.
When strong seismic forces act on reinforced concrete structures, their beam-column connections are very susceptible to damage during the earthquake event. The aim of this numerical work is to evaluate the influence of the internal steel reinforcement array on the nonlinear response of a RC beam-column connection when it is subjected to strong cyclic loading -as a seismic load. For this, two specimens (extracted from an experimental test of 12 RC beam-column connections reported in literature) were modeled in the Finite Element code FEAP considering different stirrup's arrays. In order to evaluate the nonlinear response of the RC beam-column connection, the 2D model takes into account the nonlinear thermodynamic behavior of each component: for concrete, a damage model is used; for steel reinforcement, it is adopted a classical plasticity model; in the case of the steel-concrete bonding, this one is considered perfect without degradation. At the end, we show a comparison between the experimental test's responses and the numerical results, which includes the distribution of shear stresses and damage inside the concrete core of the beam-column connection; in the other hand, the effects on the connection of a low and high state of confinement are analyzed for all cases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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