The size effect on axial compressive strength in notched concrete specimens was experimentally investigated. Based on the concept of the fracture mechanics and size effect law, theoretical studies for axial compressive failure of concrete were reviewed, and two failure modes of concrete specimens under compression were discussed. In this study, experiments of axial compressive failure, which is one of the two failure modes, was carried out by using cylindrical specimens. Adequate notch length was taken from the experimental result of strength variation based on the notch length. And, by taking various sizes of specimens the size effect on axial compressive strength of concrete was investigated. Also, model equations were suggested by modified size effect law (MSEL). The test results show that size effect appears conspicuously for all series of specimens. Additionally, the effect of initial notch length on axial compressive strength was also apparent.
The use of lateral reinforcement in confined concrete columns can improve bearing capacity and deformability. The lateral responses of lateral reinforcement significantly influence the effective confining pressure on core concrete. However, lateral strain-axial strain model of concrete columns confined by lateral reinforcement has not received enough attention. In this paper, based on experimental results of 85 concrete columns confined by lateral reinforcement under axial compression, the effect of unconfined concrete compressive strength, volumetric ratio, lateral reinforcement yield strength, and confinement type on lateral strain-axial strain curves was investigated. Through parameter analysis, it indicated that with the same level of axial strain, the lateral strain slightly increased with the increase in the unconfined concrete compressive strength, but decreased with the increase in volumetric ratio significantly. The lateral reinforcement yield strength had slight influence on lateral strain-axial strain curves. At the same level of lateral strain, the axial strain of specimen with spiral was larger than that of specimen with stirrup. Furthermore, a lateral strain-axial strain model for concrete columns confined by lateral reinforcement under axial compression was proposed by introducing the effects of unconfined concrete compressive strength, volumetric ratio, confinement type and effective confining pressure, which showed good agreement with the experimental results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.1
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pp.59-65
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2024
This paper describes the seismic performance evaluation of reinforced concrete bridge columns under constant and varying axial forces. For this purpose, nine identical circular reinforced concrete columns were designed seismically by KIBSE (2021) and KCI (2021). A comparison of lateral forces with theoretical strength shows that the safety factor for columns under varying axial forces is less marginal than those under constant axial forces. In addition, columns under varying axial forces exhibit significant fluctuations in the hysteretic response due to continuously varying axial forces. This is particularly prominent when many varying axial force cycles within a specific lateral loading cycle increase. Moreover, the displacement ductility of columns under varying axial forces does not meet the code-specified required ductility in the range of varying axial forces. All varying axial forces affect columns' strength, stiffness, and displacement ductility. Therefore, axial force variation needs to be considered in the lateral strength evaluation of reinforced concrete bridge columns.
Experimental and analytical work was conducted to investigate the relations of axial force and deformational capacity of concrete-filled square steel tube columns. The test series consisting of 36 columns were tested under the constant axial load and horizontal cyclic load. The axial force of the columns that resisted under the cyclic lateral load was defined as a certified strength of limit axial force. The analytical model was defined as a cantilever beam-column. The axial force of the beam-column that resisted under the cyclic lateral load was defined as an accumulated certified strength of limit axial force. The purpose of this study is to investigate the certified strength of limit axial force of concrete-filled steel tube beam-columns, which were subjected to both axial and lateral load condition corresponding to a given constant rotation angle. Another purpose of this study is to discuss the comparison of the certified strength of limit axial force of concrete and the accumulated certified strength of limit axial force of concrete-filled steel tube columns.
The strength theory of concrete is significant to structure design and nonlinear finite element analysis of concrete structures because concrete utilized in engineering is usually subject to the action of multi-axial stress. Experimental results have revealed that lightweight aggregate (LWA) concrete exhibits plastic flow plateau under high compressive stress and most of the lightweight aggregates are crushed at this stage. For the purpose of safety, therefore, in the practical application the strength of LWA concrete at the plastic flow plateau stage should be regarded as the ultimate strength under multi-axial compressive stress state. With consideration of the strength criterion, the ultimate strength surface of LWA concrete under multi-axial stress intersects with the hydrostatic stress axis at two different points, which is completely different from that of the normal weight concrete as that the ultimate strength surface is open-ended. As a result, the strength criteria aimed at normal weight concrete do not fit LWA concrete. In the present paper, a multi-axial strength criterion for LWA concrete is proposed based on the Unified Twin-Shear Strength (UTSS) theory developed by Prof Yu (Yu et al. 1992), which takes into account the above strength characteristics of LWA under high compressive stress level. In this strength criterion model, the tensile and compressive meridians as well as the ultimate strength envelopes in deviatoric plane under different hydrostatic stress are established just in terms of a few characteristic stress states, i.e., the uniaxial tensile strength $f_t$, the uniaxial compressive strength $f_c$, and the equibiaxial compressive $f_{bc}$. The developed model was confirmed to agree well with experimental data under different stress ratios of LWA concrete.
Current design code states that the strength reduction factor shall be permitted to be increased linearly from that for axial compression to that for flexure as the design axial load strength $\Phi$cPn decrease from 0.1fckAg to zero. Since this empirically adopted axial load level of $\Phi$cPn=0.1fckAg considers only sectional area and concrete strength, the other variables such as steel ratio, steel yielding strength, and steel arrangement can not be considered. This research is performed to investigate the consistency and the rationality of the code requirement for determination of column design strength. A nonlinear axial force-moment-curvature analysis was conducted in order to investigate the ductility of reinforced concrete column sections. As the result of ductility analysis, it was found that the ductility at the axial force of $\Phi$cPn=0.1fckAg represented a lock of consistency for the various variable contained sections. Therefore, a more reasonable application method of strength reduction factor is proposed, that is based on the strain ductility index.
High strength steel is widely used in industrial applications to improve the load-bearing capacity and reduce the overall weight and cost. To take advantage of the benefits of this type of steel in construction, an innovative hybrid fabricated member consisting of high strength steel tubes welded to mild steel plates has recently been developed. Component-scale uniaxial and multiaxial cyclic experiments have been conducted with simultaneous constant or varying axial compression loads using a multi-axial substructure testing facility. The structural interaction of high strength steel tubes with mild steel plates is investigated in terms of member capacity, strength and stiffness deterioration and the development of plastic hinges. The deterioration parameters of hybrid specimens are calibrated and compared against those of conventional steel specimens. Effect of varying axial force and loading direction on the hysteretic deterioration model, failure modes and axial shortening is also studied. Plate and tube elements in hybrid members interact such that the high strength steel is kept within its ultimate strain range to prevent sudden fracture due to its low ultimate to yield strain ratio while the ductile performance of plate governs the global failure mechanism. High strength material also significantly reduces the axial shortening in columns which prevents undesirable frame deformations.
In this study, size effect tests were conducted on axial compressive strength of concrete members. An experiment of Mode I failure, which is one of two representative compressive failure modes, was carried out by using dimensionally proportional cylindrical specimens (CS). An adequate notch length was taken from the experimental results obtained from the compressive strength experiment of various initial notch lengths. Utilizing the notch length, specimen sizes were then varied. In addition, new parameters for the modified size effect law (MSEL) were suggested using Levenberg-Marquardt's least square method (LSM). The test results show that size effect was apparent for axial compressive strength of cracked specimens. Namely, the effect of initial notch length on axial compressive strength size effect was apparent.
This experimental investigation was conducted to examine the behavior and response of high-strength material (HSM) reinforced concrete (RC) columns under combined high-axial and cyclic-increasing lateral loads. All the columns use high-strength concrete ($f_c{^{\prime}}$=100MPa) and high-yield strength steel ($f_y$=685MPa and $f_y$=785MPa) for both longitudinal and transverse reinforcements. A total of four full-scale HSM columns with amount of transverse reinforcement equal to 100% more than that required by earthquake resistant design provisions of ACI-318 were tested. The key differences among those four columns are the spacing and configuration of transverse reinforcements. Two different constant axial loads, i.e. 60% and 30% of column axial load capacity, were combined with cyclically-increasing lateral loads to impose reversed curvatures in the columns. Test results show that columns under 30% of axial load capacity behaved much more ductile and had higher lateral deformational capacity compared to columns under the 60% of axial load capacity. The columns using closer transverse reinforcement spacing have slightly higher ductility than columns with larger spacing.
Local buckling can be ignored for hot-rolled ordinary strength steel equal angle compression members, because the width-to-thickness ratios of the leg don't exceed the limit value. With the development of steel structures, Q420 high strength steel angles with the nominal yield strength of 420 MPa have begun to be widely used in China. Because of the high strength, the limit value of the width-to-thickness ratio becomes smaller than that of ordinary steel strength, which causes that the width-to-thickness ratios of some hot-rolled steel angle sections exceed the limit value. Consequently, local buckling must be considered for 420 MPa steel equal angles under axial compression. The existing research on the local buckling of high strength steel members under axial compression is briefly summarized, and it shows that there is lack of study on the local buckling of high strength steel equal angles under axial compression. Aiming at the local buckling of high strength steel angles, this paper conducts an axial compression experiment of 420MPa high strength steel equal angles, including 15 stub columns. The test results are compared with the corresponding design methods in ANSI/AISC 360-05 and Eurocode 3. Then a finite element model is developed to analyze the local buckling behavior of high strength steel equal angles under axial compression, and validated by the test results. Following the validation, a finite element parametric study is conducted to study the influences of a range of parameters, and the analysis results are compared with the design strengths by ANSI/AISC 360-05 and Eurocode 3.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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