The effect of shear coupled with axial force variation on the inelastic seismic behaviour of reinforced concrete bridge piers is investigated in this paper. For this purpose, a hysteretic axial-shear interaction model was developed and implemented in a nonlinear finite element analysis program. Thus, flexure-shear-axial interaction is simulated under variable amplitude reversed actions. Comparative studies for shear-dominated reinforced concrete columns indicated that a conventional FE model based on flexure-axial interaction only gave wholly inadequate results and was therefore incapable of predicting the behaviour of such members. Analysis of a reinforced concrete bridge damaged during the Northridge (California 1994) earthquake demonstrated the importance of shear modelling. The contribution of shear deformation to total displacement was considerable, leading to increased ductility demand. Moreover, the effect of shear with axial force variation can significantly affect strength, stiffness and energy dissipation capacity of reinforced concrete members. It is concluded that flexure-shear-axial interaction should be taken into account in assessing the behaviour of reinforced concrete bridge columns, especially in the presence of high vertical ground motion.
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.
The truss analogy for the analysis of beam-columns subjected of shear and flexure is limited by the contribution of transverse and longitudinal steel and diagonal concrete compression struts. However, it should be noted that even though the behavior of reinforced concrete beam-columns after cracking can be modeled with the truss analogy, they are not perfect trusses but still structural elements with a measure of continuity provided by a diagonal tension field. The mere notion of compression field denotes that there should be some tension field coexisting perpendicularly to it. The compression field is assumed to form parallel to the crack plane that forms under combined flexure and shear. Therefore, the concrete tension field may be defined as a mechanism existing across the crack and resisting crack opening. In this paper, the effect of concrete tensile properties on the shear strength and stiffness of reinforced concrete beam-columns is discussed using the Gauss two-point truss model. The theoretical predictions are validated against the experimental observations. Although the agreement is not perfect, the comparison shows the correct trend in degradation as the inelasticity increases.
An analytical model with tension softening for the prediction of the capacity of prestressed concrete beams under pure torsion and under torsion combined with shear and flexure is introduced. The proposed approach employs bilinear stress-strain relationship with post cracking tension softening branch for the concrete in tension and special failure criteria for biaxial stress states. Further, for the solution of the governing equations a special numerical scheme is adopted which can be applied to elements with practically any cross-section since it utilizes a numerical mapping. The proposed method is mainly applied to plain prestressed concrete elements, but is also applicable to prestressed concrete beams with light transverse reinforcement. The aim of the present work is twofold; first, the validation of the approach by comparison between experimental results and analytical predictions and second, a parametrical study of the influence of concentric and eccentric prestressing on the torsional capacity of concrete elements and the interaction between torsion and shear for various levels of prestressing. The results of this investigation presented in the form of interaction curves, are compared to experimental results and code provisions.
Reinforced Concrete (RC) shear walls are widely used in Nuclear power plants as effective lateral force resisting elements of the structure and these may experience nonlinear behavior for higher earthquake demand. Short shear walls of aspect ratio less than 1.5 generally experience combined shear flexure interaction. This paper presents the results of the displacement-controlled experiments performed on six RC short shear walls with varying aspect ratios (1, 1.25 and 1.5) for monotonic and reversed quasi-static cyclic loading. Simulation of the shear walls is then carried out by Finite element modeling and also by macro modeling considering the coupled shear and flexure behaviour. The shear response is estimated by softened truss theory using the concrete model given by Vecchio and Collins (1994) with a modification in softening part of the model and flexure response is estimated using moment curvature relationship. The accuracy of modeling is validated by comparing the simulated response with experimental one. Moreover, based on the experimental work a multi-linear hysteretic model is proposed for short shear walls. Finally ultimate load, drift, ductility, stiffness reduction and failure pattern of the shear walls are studied in details and hysteretic energy dissipation along with damage index are evaluated.
Lee, Do Hyung;Kim, Yong Il;Lee, Doo Ho;Jeon, Jeong Moon
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.21
no.4
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pp.403-411
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2009
In the present study, nonlinear earthquake analysis was carried out for a steel girder bridge that had been damaged by the 1995 Kobe earthquake. For such analysis, the use of hysteretic models describing flexure-axial and shear-axial interaction was suggested. The models were incorporated into a structural analysis program in terms of the joint elements representing hinge models, and then a simplified analysis scheme using the hinge models was employed for bridge piers. The analytical predictions of the flexure-axial interactive hinge model show a good correlation with those of the detailed fiber element model. In addition, the analytical predictions of the flexure-shear-axial interactive hinge model enable a displacement component to be separately captured. It is thus recognized that the present study can be a useful scheme for the healthy evaluation of the global displacement performance of piers subjected to earthquake excitation.
Lemnitzer, Anne;Nunez, Eduardo;Massone, Leonardo M.
Earthquakes and Structures
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v.11
no.1
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pp.141-163
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2016
Fiber models have been developed and applied to various structural elements such as shear walls, beams and columns. Only scarcely have fiber models been applied to circular foundation systems such as cast in drilled holes shafts (CIDH). In pile foundations with constraint head boundary conditions, shear deformations can easily contribute to the lateral pile response. However, soil structure interaction formulations such as the p-y method, commonly used for lateral pile design, do not include structural shear deformations in its traditional derivation method. A fiber model that couples shear and axial-bending behavior, originally developed for wall elements was modified and validated on circular cross sections (columns) before being applied to a 0.61 m diameter reinforced concrete (RC) pile with fixed head boundary conditions. The analytical response was compared to measured test results of a fixed head test pile to investigate the possible impact of pile shear deformations on the displacement, shear, and moment profiles of the pile. Results showed that shear displacements and forces are not negligible and suggest that nonlinear shear deformations for RC piles should be considered for fixed-head or similar conditions. Appropriate sensor layout is recommended to capture shear deformation when deriving p-y curves from field measurements.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1999.10a
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pp.178-185
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1999
Six of scaled concrete circular columns were experimentally investigated for the contribution of arch action to the column lateral resistance. For this the specimens with the variation of tranverse hoop steel spacing were tested in absence of axial loading All specimens showed the flexure governing behavior pattern irrelevant to transverse hoop spacing. This indicates that the role of arch action should be understood as the intermediate mechanism causing the interaction between shear and flexural mechanisms A simple truss model was proposed to qualitatively explain this notation but further study is needed to advance its application to general columns.
This study in on the development of analytic model that can predict the hysterisis response of steel-concrete under the periodic loads. Analytic value and experimental value including developed model were compared and interpreted. From the comparing interaction between torque and shear was focused on the its importance.
The theoretical basis and the main results of a design procedure, which attempts to provide the optimal layout of ordinary reinforcement in prestressed concrete beams, subjected to bending moment and shear force are presented. The difficulties encountered in simulating the actual behaviour of prestressed concrete beam in presence of coupled forces bending moment - shear force are discussed; particular emphasis is put on plastic models and stress fields approaches. A unified model for reinforced and prestressed concrete beams under axial force - bending moment - shear force interaction is provided. This analytical model is validated against both experimental results collected in literature and nonlinear numerical analyses. Finally, for illustrating the applicability of the proposed procedure, an example of design for a full-scale prestressed concrete beam is shown.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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