The longitudinal reinforcement ratio for the performance-based design of columns was studied. Unlike the existing design codes using uniform minimum reinforcement ratio and effective stiffness for all columns, the longitudinal reinforcement ratio of columns was defined as the function of various design parameters. To evaluate the minimum reinforcement ratio, two conditions were considered: 1) prevention of passive yielding of compression re-bars due to the creep and shrinkage of concrete under sustained service loads; and 2) ultimate flexural strength greater than the cracking moment capacity to maintain the ductility of columns for earthquake design. In addition, the effective flexural stiffness of columns for structural analysis was determined according to the longitudinal reinforcement ratio. The design method addressing the three criteria was proposed. The proposed method was applied to a design example.
The imperfect steel-concrete interface bonding is an important deficiency of the concrete-filled double skin tubular (CFDST) columns that led to separating concrete and steel surfaces under lateral loads and triggering buckling failure of the columns. To improve this issue, it is proposed in this study to use longitudinal and transverse steel stiffeners in CFDST columns. CFDST columns with different patterns of stiffeners embedded in the interior or exterior surfaces of the inner or outer tubes were analyzed under constant axial force and reversed cyclic loading. In the finite element modeling, the confinement effects of both inner and outer tubes on the compressive strength of concrete as well as the effect of discrete crack for concrete fracture were incorporated which give a realistic prediction of the seismic behavior of CFDST columns. Lateral strength, stiffness, ductility and energy absorption are evaluated based on the hysteresis loops. The results indicated that the stiffeners had determinant role on improving pinching behavior resulting from the outer tube's local buckling and opening/closing of the major tensile crack of concrete. The lateral strength, initial stiffness and energy absorption capacity of longitudinally stiffened columns with fixed-free end condition were increased by as much as 17%, 20% and 70%, respectively. The energy dissipation was accentuated up to 107% for fixed-guided end condition. The use of transverse stiffeners at the base of columns increased energy dissipation up to 35%. Axial load ratio, hollow ratio and concrete strength affecting the initial stiffness and lateral strength, had negligible effect of the energy dissipation of the columns. It was also found that the longitudinal stiffeners and transverse stiffeners have, respectively, negative and positive effects on ductility of CFDST columns. The conclusions, drawn from this study, can in turn, lead to the suggestion of some guidelines for the design of CFDST columns.
This study aims to examine the interface shear behavior between precast high-strength concrete slabs with pockets and steel beam to achieve accelerated bridge construction (ABC). Twenty-six push-out specimens, with different stud height, stud diameter, stud arrangement, deck thickness, the infilling concrete strength in shear pocket (different types of concrete), steel fiber volume of the infilling concrete in shear pocket concrete and casting method, were tested in this investigation. Based on the experimental results, this study suggests that the larger stud diameter and higher strength concrete promoted the shear capacity and stiffness but with the losing of ductility. The addition of steel fiber in pocket concrete would promote the ductility effectively, but without apparent improvement of bearing capacity or even declining the initial stiffness of specimens. It can also be confirmed that the precast steel-concrete composite structure can be adopted in practice engineering, with an acceptable ductility (6.74 mm) and minor decline of stiffness (4.93%) and shear capacity (0.98%). Due to the inapplicability of current design provision, a more accurate model was proposed, which can be used for predicting the interface shear capacity well for specimens with wide ranges of the stud diameters (from13 mm to 30 mm) and the concrete strength (from 26 MPa to 200 MPa).
Until now, a comparative study on fully and partially-connected steel shear walls leading to enhancing strength and stiffness reduction of partially-connected steel plate shear wall structures has not been reported. In this paper a number of 4-story and 8-story steel plate shear walls, are considered with three different connection details of infill plate to surrounding frame. The specimens are modeled using nonlinear finite element method verified excellently with the experimental results and analyzed under monotonic loading. A comparison between initial stiffness and shear strength of models as well as percentage of shear force by model boundary frame and infill plate are performed. Moreover, a comparison between energy dissipation, ductility factor and distribution of Von-Mises stresses of models are presented. According to the results, the initial stiffness, shear resistance, energy dissipation and ductility of the models with beam-only connected infill plates (SSW-BO) is found to be about 53%, 12%, 15% and 48% on average smaller than those of models with fully-connected infill plates (SPSW), respectively. However, performance characteristics of semi-supported steel shear walls (SSSW) containing secondary columns by simultaneously decreasing boundary frame strength and increasing thickness of infill plates are comparable to those of SPSWs. Results show that by using secondary columns as well as increasing thickness of infill plates, the stress demands on boundary frame decreases substantially by as much as 35%. A significant increase in infill plate share on shear capacity by as much as 95% and 72% progress for the 4-story SSW-BO and 8-story SSSW8, respectively, as compared with non-strengthened counterparts. A similar trend is achieved by strengthening secondary columns of 4-story SSSW leading to an increase of 50% in shear force contribution of infill plate.
Jian-Tao Wang;Yue Wei;Juan Wang;Yu-Wei Li;Qing Sun
Steel and Composite Structures
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v.49
no.4
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pp.441-456
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2023
Aiming at the development trend of light weight and high strength of engineering structures, this paper experimentally investigated the seismic performance of circular-in-square high-strength concrete-filled double skin steel tubular (HCFDST) stub columns with out-of-code width-to-thickness (B/t) ratios. Typical failure mode of HCFDST stub columns appeared with the infill material crushing, steel fracture and local buckling of outer tubes as well as the inner buckling of inner tubes. Subsequently, the detailed analysis on hysteretic curves, skeleton curves and ductility, energy dissipation, stiffness degradation and lateral force reduction was conducted to reflect the influences of hollow ratios, axial compression ratios and infill types, e.g., increasing hollow ratio from 0.54 to 0.68 and 0.82 made a slight effect on bearing capacity compared to the ductility coefficients; the higher axial compression ratio (e.g., 0.3 versus 0.1) significantly reduced the average bearing capacity and ductility; the HCFDST column SCFST-6 filled with concrete obviously displayed the larger initial secant stiffness with a percentage 34.20% than the column SCFST-2 using engineered cementitious composite (ECC); increasing hollow ratios, axial compression ratios could accelerate the drop speed of stiffness degradation. The out-of-code HCFDST stub columns with reasonable design could behave favorable hysteretic performance. A theoretical model considering the tensile strength effect of ECC was thereafter established and verified to predict the moment-resisting capacity of HCFDST columns using ECC. The reported research on circular-in-square HCFDST stub columns can provide significant references to the structural application and design.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.1
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pp.17-27
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2004
A new earthquake design method performing iterative calculations using secant stiffness was developed. The proposed design method has the advantages of convenience and stability in numerical analysis because it uses elastic analysis. At the same time, the proposed design method can accurately estimate the strength and ductility demands on the members because it performs the analysis on the inelastic behavior of structure using iterative calculation. In the present study, the procedure of the proposed design method was established, and a computer program incorporating the proposed method was developed. Design examples using the proposed method were presented, and its advantages were presented by the comparisons with existing design methods using elastic or inelastic analysis. The proposed design method, as an integrated method of analysis and design, can address the earthquake design strategy devised by the engineer. such as ductility limit on each member, the design concept of strong column - weak beam, and etc. In addition, through iterative calculations on the structure preliminarily designed only with member sizing, the strength and ductility demands of each member can be directly calculated so as to satisfy the given design strategy. As the result. economical and safe design can be achieved.
Rahimipour, Arash;Hejazi, Farzad;Vaghei, Ramin;Jaafar, Mohd Saleh
Computers and Concrete
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v.18
no.6
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pp.1083-1096
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2016
Beam-column joints are recognized as the weak points of reinforcement concrete frames. The ductility of reinforced concrete (RC) frames during severe earthquakes can be measured through the dissipation of large energy in beam-column joint. Retrofitting and rehabilitating structures through proper methods, such as carbon fiber reinforced polymer (CFRP), are required to prevent casualties that result from the collapse of earthquake-damaged structures. The main challenge of this issue is identifying the effect of CFRP on the occurrence of failure in the joint of a cross section with normal ductility. The present study evaluates the retrofitting method for a normal ductile beam-column joint using CFRP under monotonic and cyclic loads. Thus, the finite element model of a cross section with normal ductility and made of RC is developed, and CFRP is used to retrofit the joints. This study considers three beam-column joints: one with partial CFRP wrapping, one with full CFRP wrapping, and one with normal ductility. The two cases with partial and full CFRP wrapping in the beam-column joints are used to determine the effect of retrofitting with CFRP wrapping sheets on the behavior of the beam-column joint confined by such sheets. All the models are subjected to monotonic and cyclic loading. The final capacity and hysteretic results of the dynamic analysis are investigated. A comparison of the dissipation energy graphs of the three connections shows significant enhancement in the models with partial and full CFRP wrapping. An analysis of the load-displacement curves indicates that the stiffness of the specimens is enhanced by CFRP sheets. However, the models with both partial and full CFRP wrapping exhibited no considerable improvement in terms of energy dissipation and stiffness.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.4
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pp.37-48
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2010
The seismic control effect of reinforced concrete structures with low energy dissipating capacity due to stiffness degradation is investigated through nonlinear time history analysis. The primary structure is idealized as a SDOF system of modified Takeda hysteresis rule and an elasto-perfectly-plastic nonlinear spring is added to represent a hysteretic damping device. Based on statistics of the numerical analysis, equivalent linearization techniques are evaluated, and empirical equations for response prediction are proposed. As a result, estimation of the ductility demand with proposed empirical equations is more desirable than the equivalent linearization techniques. The optimal yield strengths based on empirical equations are significantly different from the optimal yield strength of elasto-perfectly-plastic systems. Also, the results indicate that the reduction effect of the ductility demand is more remarkable for smaller natural periods.
Earthquake resistant R/C frame structures are generally designed to prevent the columns from plastic hinging. R/C columns under higher axial load or strong earthquake showed a brittle behavior due to the deterioration of strength and stiffness degradation. An experimental study was conducted to examine the behavior and to find the relationship between amounts of lateral reinforcements and compressive strength of ten R/C column specimens subjected to reversed cyclic lateral load and higher axial load. Test results are follows : An increase in the amount of lateral reinforcement results in a significant improvement in both ductility and energy dissipation capacities of columns. R/C columns with sub-tie provide the improved ductility capacity than those with closely spaced lateral reinforcement only. While the load resisting capacity of the high strength R/C columns is higher than the normal strength concrete columns under both an identical ratio of lateral reinforcement, however the ductility capacity of high strength R/C columns is decreased considerably. Therefore, the amounts of lateral reinforcement must be designed carefully to secure the sufficient ductility and economic design of HSC columns under higher axial load.
Although being one of the most popular strengthening techniques in reinforced concrete beams, the use of steel plates bonded to the soffit raises problems of ductility. This study aims at investigating the influence of the use of perforated steel plates instead of solid steel plates on the ductility of reinforced concrete beams. A total of nine reinforced concrete beams were tested. In addition to an unplated beam, eight beams with perforated steel plates of two different thicknesses (3 mm and 6 mm) were subjected to monotonic loading. Effect of bonding the plates to the beams with anchor bolts and with additional side plates bonded to the sides of the beam with and without anchors is also investigated. The use of bolts in addition to epoxy was found to greatly contribute to the ductility and energy absorption capacity of the beams, particularly in specimens with thick plates (6 mm) and the use side plates in addition to the bottom plate was found to be ineffective in increasing the ductility of a concrete beam unless the side plates are attached to the beam with anchors bolts. The thickness of the plate was found to have little effect on the bending rigidity of the beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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