This paper presents detailed analysis of the internal forces of interior beam-column joints of reinforced concrete (RC) frames under seismic action, identifies critical joint sections, proposes consistent definitions of average joint shear stress and average joint shear strain, derives formulas for calculating average joint shear and joint torque, and reports simplified analysis of the effects of joint shear and torque on the flexural strengths of critical joint sections. Numerical results of internal joint forces and flexural strengths of critical joint sections are presented for a pair of concentric and eccentric interior connections extracted from a seismically designed RC frame. The results indicate that effects of joint shear and torque may reduce the column-to-beam flexural strength ratios to below unity and lead to "joint-yielding mechanism" for seismically designed interior connections. The information presented in this paper aims to provide some new insight into the seismic behavior of interior beam-column joints and form a preliminary basis for analyzing the complicated interaction of internal joint forces.
Bridge columns are subjected to combined actions of axial force, shear force and bending moment during earthquakes, caused by spatially-complex earthquake motions, features of structural configurations and the interaction between input and response characteristics. Combined actions can have significant effects on the force and deformation capacity of RC columns, resulting in unexpected large deformations and extensive damage that in turn influences the performance of bridges as vital components of transportation systems. This paper evaluates the seismic response of three prototype reinforced concrete bridges using comprehensive numerical models that are capable of simulating the complex soil-structural interaction effects and nonlinear behavior of columns. An analytical approach that can capture the shear-flexural interacting behavior is developed to model the realistic nonlinear behavior of RC columns, including the pinching behavior, strength deterioration and stiffness softening due to combined actions of shear force, axial force and bending moment. Seismic response analyses were conducted on the prototype bridges under suites of ground motions. Response quantities of bridges (e.g., drift, acceleration, section force and section moment etc.) are compared and evaluated to identify the effects of vertical motion, structural characteristics and the shear-flexural interaction on seismic demand of bridges.
In the present paper, an analytical model is proposed to determine the flexural and shear strength of normal and high-strength reinforced concrete beams with longitudinal bars, in the presence of transverse stirrups. The model is based on evaluation of the resistance contribution due to beam and arch actions including interaction with stirrups. For the resistance contribution of the main bars in tension the residual bond adherence of steel bars, including the effect of stirrups and the crack spacing of R.C. beams, is considered. The compressive strength of the compressed arch is also verified by taking into account the biaxial state of stresses. The model was verified on the basis of experimental data available in the literature and it is able to include the following variables in the resistance provision: - geometrical percentage of steel bars; - depth-to-shear span ratio; - resistance of materials; - crack spacing; - tensile stress in main bars; - residual bond resistance including the presence of stirrups;- size effects. Finally, some of the more recent analytical expressions able to predict shear and flexural resistance of concrete beams are mentioned and a comparison is made with experimental data.
The seismic performance of reinforced concrete (RC) bridge columns is a significant issue because the interaction of flexural ductility and shear capacity of such columns with varied amounts of lateral reinforcement is not well established. Several relationships between flexural ductility and shear capacity have been proposed by various researchers in the past. In this paper, a parametric study on RC bridge columns is conducted using a nonlinear finite element program, "Simulation of Concrete Structures (SCS)", developed at the University of Houston. SCS has been previously used to predict the seismic behavior of such columns. The predicted results were compared with the test results obtained from experiments available in literature. Based on the results of the parametric study performed in this paper, a set of new relationships between flexural ductility and shear capacity of RC columns is proposed for seismic design.
The purpose of this study is to analyze the method of retrofitting flexural strength and the flexural performance of retrofitted shear walls. There are various ways to reinforce the flexural strength of reinforced concrete shear wall structural systems that have already been built, in the case of that, the external force is increased, and the internal force is insufficient. However, there are various problems, such as excessive flexural stiffness after reinforcement and increasing the thickness and length of the wall. We have developed a retrofit method to solve these problems. The wall end is excavated to place the required vertical rebars, and concrete is poured after placing rebars. This is the same concept as creating wall end boundary elements later on. We also studied the anchorage method of reinforcement and the interaction method between the retrofitting end and the existing wall. The flexural test results for the reinforced concrete shear wall using the studied retrofit method can be predicted according to the sectional analysis and FEM analysis, and there are differences in the plastic hinge length, crack propagation, stiffness degradation and energy dissipation due to the bending depending on the vertical rebar ratio of wall end.
This paper presents a truss model for RC columns subjected to axial load and lateral load. The presented model is based on a stress field for the flexural-shear failure of short columns, which represent shear failure and bond splitting failure. Using this model, failure strength and related deformation of RC columns are investigated. Particular emphasis is placed on models capable of representing the interaction between deformation and shear strength.
The present work is concerned with a numerical investigation of the behaviour of reinforced-concrete beams with non-bonded flexural tension reinforcement. The numerically-established behaviour of such beams with and without transverse reinforcement is compared with its counterpart of similar beams with bonded reinforcement. From the comparison, it is found that the development of bond anywhere within the shear span inevitably leads to inclined cracking which is the cause of 'shear' failure. On the other hand, the lack of bond within the shear span of the beams is found, not only to prevent cracking within the shear span, but, also, to lead to a flexural type of failure preceded by the formation of horizontal splitting of concrete in the compressive zone. It is also found that delaying the extension of horizontal splitting through the provision of transverse reinforcement in the beam mid span can lead to flexural failure after yielding of the tension reinforcement. Yielding of the tension reinforcement before the horizontal splitting of the compressive zone may also be achieved by reducing the amount of the latter reinforcement.
Double skin composite element (DSCE) is a novel form of construction comprising two skins of profiled steel sheeting with an infill of concrete. DSCEs are thought to be applicable as shear or core walls in a building where they can resist in-plane loads. In this paper, the behaviour of DSCE subjected to combined bending and shear deformation is described. Small-scale model tests on DSCEs manufactured from micro-concrete and very thin sheeting were conducted to investigate the flexural and shear behaviour along with analytical analysis. The model tests provided information on the strength, stiffness, strain conditions and failure modes of DSCEs. Detailed development of analytical models for strength and stiffness and their performance validation by model tests are presented.
This paper proposes a novel frame element on Winkler-Pasternak foundation for analysis of a non-ductile reinforced concrete (RC) member resting on foundation. These structural members represent flexural-shear critical members, which are commonly found in existing buildings designed and constructed with the old seismic design standards (inadequately detailed transverse reinforcement). As a result, these structures always experience shear failure or flexure-shear failure under seismic loading. To predict the characteristics of these non-ductile structures, efficient numerical models are required. Therefore, the novel frame element on Winkler-Pasternak foundation with inclusion of the shear-flexure interaction effect is developed in this study. The proposed model is derived within the framework of a displacement-based formulation and fiber section model under Timoshenko beam theory. Uniaxial nonlinear material constitutive models are employed to represent the characteristics of non-ductile RC frame and the underlying foundation. The shear-flexure interaction effect is expressed within the shear constitutive model based on the UCSD shear-strength model as demonstrated in this paper. From several features of the presented model, the proposed model is simple but able to capture several salient characteristics of the non-ductile RC frame resting on foundation, such as failure behavior, soil-structure interaction, and shear-flexure interaction. This confirms through two numerical simulations.
This paper presents a novel analytical formulation for the analysis of composite beams with partial shear interaction stiffened by a bolted longitudinal plate accounting for time effects, such as creep and shrinkage. The model is derived by means of the principle of virtual work using a displacement-based formulation. The particularity of this approach is that the partial interaction behaviour is assumed to exist between the top slab and the joist as well as between the joist and the bolted longitudinal stiffening plate, therefore leading to a three-layered structural representation. For this purpose, a novel finite element is derived and presented. Its accuracy is validated based on short-and long-term analyses for the particular cases of full shear interaction and partial shear interaction of two layers for which solutions in closed form are available in the literature. A parametric study is carried out considering different stiffening arrangements to investigate the influence on the short-and long-term behaviour of the composite beam of the shear connection stiffness between the concrete slab and the steel joist, the stiffness of the plate-to-beam connection, the properties of the longitudinal plate and the concrete properties. The values of the deflection obtained from the finite element simulations are compared against those calculated using the effective flexural rigidity in accordance with EC5 guidelines for the behaviour of elastic multi-layered beams with flexible connection and it is shown how the latter well predicts the structural response. The proposed numerical examples highlight the ease of use of the proposed approach in determining the effectiveness of different retrofitting solutions at service conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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