This paper provides an insight into the response of non-seismic reinforced concrete (RC) building frames to excitations of different frequencies through experimental investigation. The results of cyclic loading tests of six full-scale RC beam-column sub-assemblies are presented. The tested specimens did not have any transverse reinforcement inside the joint core, and they were subjected to quasi-static and dynamic loading with frequencies as high as 20 Hz. Some important differences between the cyclic responses of non-seismic and ductile RC frames are highlighted. The effect of excitation frequency on the behavior of non-seismic joints is also discussed. In the quasi-static tests, shear deformation of the joint panel accounted for more than 50% of the applied story drift. The test results also showed that higher-frequency excitations are less detrimental than quasi-static cyclic loads, and non-seismic frames can withstand a higher load and a larger deformation when they are applied faster.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.4
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pp.193-203
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2024
Existing reinforced concrete (RC) building frames constructed before the seismic design was applied have seismically deficient structural details, and buildings with such structural details show brittle behavior that is destroyed early due to low shear performance. Various reinforcement systems, such as fiber-reinforced polymer (FRP) jacketing systems, are being studied to reinforce the seismically deficient RC frames. Due to the step-by-step modeling and interpretation process, existing seismic performance assessment and reinforcement design of buildings consume an enormous amount of workforce and time. Various machine learning (ML) models were developed using input and output datasets for seismic loads and reinforcement details built through the finite element (FE) model developed in previous studies to overcome these shortcomings. To assess the performance of the seismic performance prediction models developed in this study, the mean squared error (MSE), R-square (R2), and residual of each model were compared. Overall, the applied ML was found to rapidly and effectively predict the seismic performance of buildings according to changes in load and reinforcement details without overfitting. In addition, the best-fit model for each seismic performance class was selected by analyzing the performance by class of the ML models.
Glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars have been introduced as an effective alternative for the conventional steel reinforcement in concrete structures to mitigate the costly consequences of steel corrosion. However, despite the superior performance of these composite materials in terms of corrosion, the effect of replacing steel reinforcement with GFRP on the seismic performance of concrete structures is not fully covered yet. To address some of the key parameters in the seismic behavior of GFRP-reinforced concrete (RC) structures, two full-scale beam-column joints reinforced with GFRP bars and stirrups were constructed and tested under two phases of loading, each simulating a severe ground motion. The objective was to investigate the effect of damage due to earthquakes on the service and ultimate behavior of GFRP-RC moment-resisting frames. The main parameters under investigation were geometrical configuration (interior or exterior beam-column joint) and joint shear stress. The performance of the specimens was measured in terms of lateral load-drift response, energy dissipation, mode of failure and stress distribution. Moreover, the effect of concrete damage due to earthquake loading on the performance of beam-column joints under service loading was investigated and a modified damage index was proposed to quantify the magnitude of damage in GFRP-RC beam-column joints under dynamic loading. Test results indicated that the geometrical configuration significantly affects the level of concrete damage and energy dissipation. Moreover, the level of residual damage in GFRP-RC beam-column joints after undergoing lateral displacements was related to reinforcement ratio of the main beams.
A bearing failure in RCS(Reinforced Concrete Column and Steel Beam) system is recognized as one of the distinct joint failure modes for the composite frames. Vertical and transverse reinforcement in addition to concrete are effective for better transfer of vortical forces through concrete bearing. To examine the effect of the vertical bars, tie bars, a U-type detail developed in this study and concrete confinement, local bearing tests were conducted using 22 small-scale concrete block specimens. Test results show that vertical reinforcement and tie bars mainly contribute to the bearing capacity. However larger amounts of tie reinforcement are required than those recommend from ASCE guidelines, to apply the nominal concrete strength as 2 $f_{ck}$ over the bearing area. Cross ties are proved to be highly effective for resisting the vertical forces. Maximum bearing strength can be increased upto 2.5 $f_{ck}$ . An accurate prediction model for bearing strength is proposed for better design of the composite Joint.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.1
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pp.13-22
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2018
In this study, seismic performance of existing RC frames reinforced with steel chevron bracing systems was experimentally evaluated. For this purpose, the unreinforced base specimen and seismically reinforced specimens with steel chevron bracing systems were fabricated and tested. Both strength and stiffness of the reinforced specimens were targeted about 2-3 times larger than the base specimen. Test results showed that the stiffness, strength, and ductility of the reinforced specimens considerably improved than those of unreinforced base specimen. Therefore, the results from this study could offer the basic information on the developing design guideline for the seismic reinforcement of RC frames.
Detailed analysis of internal forces of exterior beam-column joints of RC frames under seismic action is reported in this paper. A formula is derived for calculating the average joint shear from the column shears, and a formula is proposed to estimate torque in eccentric joints induced by seismic action. Average joint shear stress and strain are defined consistently for exterior joints, which can be used to establish joint shear constitutive relationship. Numerical results of shear, bending moment and torque in joints induced by seismic action are presented for a pair of concentric and eccentric exterior connections extracted from a seismically designed RC frame, and two sections located at the levels of beam bottom and top reinforcement, respectively, are identified as the critical joint sections for evaluating seismic joint behavior. A simplified analysis of the effects of joint shear and torque on the flexural strengths of the critical joint sections is made for the two connections extracted from the frame, and the results indicate that joint shear and torque induced by a strong earthquake may lead to "joint-hinging" mechanism of seismically designed RC frames.
Oinam, Romanbabu M.;Kumar, P.C. Ashwin;Sahoo, Dipti R.
Earthquakes and Structures
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v.16
no.5
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pp.533-546
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2019
This study presents an experimental investigation on six beam-column joint specimens under the lateral cyclic loading. The aim was to explore the effectiveness of steel fiber-reinforced concrete (SFRC) in reducing the transverse shear stirrups in beam-column joints of the reinforced concrete (RC) frames with strong-columns and weak-beams. Two RC and four SFRC specimens with different types of reinforcement detailing and steel fibers of volume fraction in the range of 0.75-1.5% were tested under gradually increasing cyclic displacements. The main parameters investigated were lateral load-resisting capacity, hysteresis response, energy dissipation capacity, stiffness degradation, viscous damping variation, and mode of failure. Test results showed that the diagonally bent configuration of beam longitudinal bars in the beam-column joints resulted in the shear failure at the joint region against the flexural failure of beams having straight bar configurations. However, all SFRC specimens exhibited similar lateral strength, energy dissipation potential and mode of failure even in the absence of transverse steel in the beam-column joints. Finally, a methodology has been proposed to compute the shear strength of SFRC beam-column joints under the lateral loading condition.
As concrete dominates the construction industry, alternatives to traditionally used steel reinforcement are being sought. This study explored the suitability of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) as a substitute within rigid frames, focusing on its impact on section ductility and overall structural durability against seismic events. However, current design guidelines address quasi-static loads, leaving a gap for dynamic or extreme circumstances. Our approach included multiscale simulations, parametric study, and energy dissipation analyses, drawing upon a unique adaptation of modified compression field theory. In our efforts to optimize macro and microparameters to improve yield strength, manage brittleness, and govern failure modes, we also recognized the potential of CFRP's high corrosion resistance. This characteristic of CFRP could significantly reduce the frequency of required repairs, thereby contributing to enhanced durability of the structures. The research reveals that CFRP's durability and seismic resistance are attributed to plastic joints within compressed fibers. Notably, CFRP can impart ductility to structural designs, effectively balancing its inherent brittleness, particularly when integrated with quasi-brittle materials. This research challenges the notion that designing bendable components with carbon fiber reinforcement is impractical. It shows that creating ductile bending components with CFRP in concrete is feasible despite the material's brittleness. This funding overturns conventional assumptions and opens new avenues for using CFRP in structural applications where ductility and resilience are crucial.
As the common cast-in-place construction works fails to meet the enormous construction demand under rapid economic growth, the development of prefabricated structure instead becomes increasingly promising in China. For the prefabricated structure, its load carrying connection joint play a key role in maintaining the structural integrity. Therefore, a novel end plate bolt connecting joint between fully prefabricated pre-stressed concrete beam and high-strength reinforcement-confined concrete column was proposed. Under action of low cycle repeated horizontal loadings, comparative tests are conducted on 6 prefabricated pre-stressed intermediate joint specimens and 1 cast-in-place joint specimen to obtain the specimen failure modes, hysteresis curves, skeleton curves, ductility factor, stiffness degradation and energy dissipation capacity and other seismic indicators, and the seismic characteristics of the new-type prefabricated beam-column connecting joint are determined. The test results show that all the specimens for end plate bolt connecting joint between fully prefabricated pre-stressed concrete beam and high-strength reinforcement-confined concrete column have realized the design objectives of strong column weak beam. The hysteretic curves for specimens are good, indicating desirable ductility and energy dissipation capacity and seismic performances, and the research results provide theoretical basis and technical support for the promotion and application of prefabricated assembly frames in the earthquake zone.
Ten reinforced concrete rigid frames and infilled shear wall frames were tested under both vertical and cyclic loadings. Experiments were carried out to evaluate the structural performance of such test specimens, such as the hysteretic behavior, the maximum horizontal strength, crack propagation, and ductility etc. under load reversals. All the specimens were modeledin one-third scale size. Based on the test results reported in this study, the follwing conclusions can be made. For the rigid frame type and the fully rigid babel type shear wall specimens, the hysteresis diagrams indicate that the degradations of their strength were developed slowly beyond maximum carrying capacity. It was shown that when the hoop reinforcement ratio became higher, the energy dissipation capacity became larger and the failure mode became ductile. The specimens designed by the less hoop reinforcement for the fully rigid babel type shear wall, were mainly failed due to diagonal crack in comparison with the specimens designed by the larger hoop reinforcement ratio. Maximum horizontal resisting moment capacity of speciment designed by the fully rigid babel shear wall were increased by 5.47~7.95 times in comparison with the rigid frame type.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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