This paper proposes a modified bar simulation method for analyzing the shear lag effect of variable sectional box girder with multiple cells. This theoretical method formulates the equivalent area of stiffening bars and the allocation proportion of shear flows in webs, and re-derives the governing differential equations of bar simulation method. The feasibility of the proposed method is verified by the model test and finite element (FE) analysis of a simply supported multi-cell box girder with constant depth. Subsequently, parametric analysis is conducted to explore the mechanism of shear lag effect of varied sectional cantilever box girder with multiple cells. Results show that the shear lag behavior of variable box-section cantilever box girder is weaker than that of box girder with constant section. It is recommended to make the gradient of shear flow in the web with respect to span length vary as smoothly as possible for eliminating the shear lag effect of box girder. An effective countermeasure for diminishing shear lag effect is to increase the number of box chambers or change the variation manner of bridge depth. The shear lag effect of varied sectional cantilever box girder will get more server when the length of central flanges is shorter than 0.26 or longer than 0.36 times of total width of top flange, as well as the cantilever length exceeds 0.29 times of total length of box's flange. Therefore, the distance between central webs can adjust the shear lag effect of box girder. Especially, the width ratio of cantilever plate with respect to total length of top flange is proposed to be no more 1/3.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.21
no.1
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pp.1-8
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2017
Three small scale hollow circular reinforced concrete columns with aspect ratio 4.5 were tested under cyclic lateral load with constant axial load. Diameter of section is 400 mm, hollow diameter is 200 mm. The selected test variable is transverse steel ratio. Volumetric ratios of spirals of all the columns are 0.302~0.604% in the plastic hinge region. It corresponds to 45.9~91.8% of the minimum requirement of confining steel by Korean Bridge Design Specifications, which represent existing columns not designed by the current seismic design specifications or designed by seismic concept. The longitudinal steel ratio is 2.017%. The axial load ratio is 7%. This paper describes mainly crack behavior, load-displacement hysteresis loop, seismic performance such as equivalent damping ratio, residual displacement and effective stiffness and flexural over-strength of circular reinforced concrete bridge columns with respect to test variable. The regulation of flexural over-strength is adopted by Korea Bridge Design Specifications (Limited state design, 2012). The test results are compared with nominal strength, result of nonlinear moment-curvature analysis and the design specifications such as AASHTO LRFD and Korea Bridge Design Specifications(Limited state design).
Recent research has indicated that the current ACI shear provision provides unconservative predictions for large slender beams and beams with low level of longitudinal reinforcement, and conservative results for deep beams. To modify some problems of ACI shear provision, ultimate shear strength equation considering size effect and arch action to compute shear strength in high-strength concrete beams without stirrups is presented in this research. Three basic equations, namely size reduction factor, rho factor, and arch action factor, are derived from crack band model of fracture mechanics, analysis of previous some shear equations for longitudinal reinforcement ratio, and concrete strut described as linear prism in strut-tie model deep beams. Constants of basic equations are determined using statistical analysis of previous shear testing data. To verify proposed shear equation for each variable, effective depth, longitudinal reinforcement ratio, concrete compressive strength and shear span-to-depth ratio, about 300 experimental data are used and proposed shear equation is compared with ACI 318-99 code, CEB-FIP Model code, Kim &Park's equation and Zsutty's equation. The proposed shear equation is not only simpler than other shear equations, it is but also shown to be economical predictions and reasonable safety margin. Hence proposed shear strength equation is expected to be applied to practical shear design.
In this study, ultimate strengths of 51 continuous reinforced concrete deep beams were evaluated by the ACI 318M-08's strut-tie model approach implemented with the presented indeterminate strut-tie model and load distribution ratio of the companion paper. The ultimate strengths of the continuous deep beams were also estimated by the shear equations derived based on experimental results, conventional design codes based on experimental and theoretical shear strength models, and current strut-tie model design codes. The validity of the presented strut-tie model and load distribution ratio was examined through the comparison of the strength analysis results classified according to the primary design variables of shear span-to-effective depth ratio, flexural reinforcement ratio, and concrete compressive strength. The present study results of ultimate strengths obtained using the indeterminate strut-tie model and load distribution ratio of the continuous deep beams agree fairly well with those obtained using other approaches. In addition, the present approach reflected the effect of the primary design variables on the ultimate strengths of the continuous deep beams consistently and accurately. Therefore, the present study will help structural designers to conduct rational and practical strut-tie model designs of continuous deep beams.
Kim, Chul-Goo;Park, Hong-Gun;Hong, Geon-Ho;Kang, Su-Min
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.26
no.2
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pp.189-199
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2014
Currently, in the precast concrete construction, Precast Concrete (PC) and Cast-In-Place (CIP) concrete with different concrete strengths are frequently used. However, current design codes do not specifically provide shear design methods for PC-CIP hybrid members using dual concrete strengths. In the present study, simply supported composite beams with shear reinforcement were tested. The test variables were the area ratio of the two concretes, spacing of shear reinforcement, and shear span-to-depth ratio. The shear strengths of the test specimens were evaluated by current design codes on the basis of the test results. The results showed that the shear strength of the composite beams was affected by the concrete strength of the compressive zone and also proportional to the flexural rigidity of un-cracked sections. Furthermore, the contribution of shear reinforcements varied according to the concrete strength of the compressive zone.
High-performance concrete (HPC) usually has higher paste and lower coarse aggregate volumes than normal concrete. The lower aggregate content of HPC can affect the shear capacity of concrete members due to the formation of smooth fractured surfaces and the subsequent development of weak interface shear transfer. Therefore, an experimental investigation was conducted to study the shear strength and cracking behavior of full-scale reinforced beams made with low-cement-content high-performance concrete (LcHPC) as well as conventional HPC. A total of fourteen flexural reinforced concrete (RC) beams without shear reinforcements were tested under a two-point load until shear failure occurred. The primary design variables included the cement content, the shear span to effective depth ratio (a/d), and the tensile steel ratio (${\rho}_w$). The results indicate that LcHPC beams show comparable behaviors in crack and ultimate shear strength as compared with conventional HPC beams. Overall, the shear strength of LcHPC beams was found to be larger than that of corresponding HPC beams, particularly for an a/d value of 1.5. In addition, the crack and ultimate shear strength increased as a/d decreased or ${\rho}_w$ increased for both LcHPC beams and HPC beams. This investigation established that LcHPC is recommendable for structural concrete applications.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.4
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pp.1081-1094
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2014
The strut-tie model approach has proven to be effective in the ultimate analysis and design of structural concrete with disturbed regions. For the reliable analysis and safe design of the structural concrete, however, the effective strengths of concrete struts must be determined accurately. In this study, the equations of the effective strengths of concrete struts, which are useful for the three types of determinate and indeterminate strut-tie models of reinforced concrete corbels, were proposed. The effects of shear span-to-effective depth ratio, the vertical-to-horizontal force ratio, and flexural and horizontal shear reinforcement ratios were reflected in the development of the proposed equations. To examine the appropriateness of the proposed and existing equations, the ultimate strengths of 243 reinforced concrete corbels tested to failure were evaluated by using the three types of corbel strut-tie models.
In this paper, an analytical approach hwas been conductsed to clarify the relationships between the axial force and the deformation capacity of steel- encased reinforced- concrete beam-columns. The analytical model was defined as a cantilever. Several parameters influencing the inelastic performance of the beam-columns were selected, as follows: including encased steel area ratios, and sectional shapes of the encased steel, material strengths, and shear-span- to-depth ratios. The Analytical results of the analysis showed that the axial force had to have a maximum limit to ensure the stable behavior of a steel- encased reinforced- concrete beam-column when it was subjected to both axial and repeated lateral loading under a constant rotation angle amplitude. The maximum axial force of the beam-column to be resisted under cyclic lateral loading was defined as the stable-limit axial force to ensure the required rotation angle amplitude. The Analytical results of the analysis indicate that the stable-limit axial load ratio increases as the steel strength increases or as the compressive strength of the concrete decreases. The stable-limit axial load ratio decreases as the encased steel ' s sectional area increases in the case of a 1-shaped sections and it is almost not influenced by the steel sectional area in the case of a cross-shaped section.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.7
no.4
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pp.159-169
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2003
In the ACI Code, the empirical equations governing deep beam design are based on low-strength concrete specimens with $f_{ck}$ in the range of 14 to 40MPa. As high-strength concrete(HSC) is becoming more and more popular, it is timely to evaluate the application of HSC deep beam. For the shear strength prediction of HSC deep beams, this paper proposed Softened Strut-and-Tie Model(SSTM) considered HSC and bending moment effect. The shear strength predictions of the proposed model, the Appendix A Strut-and-Tie Model of ACI 318-02, and Eq. of ACI 318-99 11.8 are compared with the experimental test results of 4 deep beams and the collected experimental data of 74 HSC deep beams, compressive strength in the range of 49~78MPa. The proposed SSTM performance consistently reproduced 74 HSC deep beam measured shear strength with reasonable accuracy for a wide range of concrete strength, shear span-depth ratio, and ratio of horizontal and vertical reinforcement.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.3
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pp.165-172
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2019
In this study, the shear strength of prestressed concrete deep beams is predicted using finite element analysis, and the variation in the shear strength according to the degree of prestressing is investigated. Numerical analysis results are compared with results obtained by the strut-and-tie model and associated experiments. Numerical analyses are performed on prestressed concrete deep beams with different values of concrete strength, effective prestress, ratio of tensile reinforcement, and shear span to effective depth ratio. The shear strength predicted by the numerical analysis is similar to the experimental value obtained, with an error of less than 5%. However, the strut-and-tie model highly overestimated the shear strength of prestressed concrete deep beams with a concentrated loading area. The ultimate shear capacity of prestressed concrete deep beams increased linearly with increasing prestresss applied to the tendon.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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