While extensive efforts have been made in the past to develop finite element models (FEMs) for concrete-filled steel tubular columns (CFSTCs), these models may not be suitable to be used in some cases, especially in view of the utilisation of high strength steel and high strength concrete. A method is presented herein to predict the complete stress-strain curve of concrete subjected to tri-axial compressive stresses caused by axial load coupled with lateral pressure due to the confinement action in square and rectangular CFSTCs with normal and high strength materials. To evaluate the lateral pressure exerted on the concrete in square and rectangular shaped columns, an accurately developed FEM which incorporates the effects of initial local imperfections and residual stresses using the commercial program ABAQUS is adopted. Subsequently, an extensive parametric study is conducted herein to propose an empirical equation for the maximum average lateral pressure, which depends on the material and geometric properties of the columns. The analysis parameters include the concrete compressive strength ($f^{\prime}_c=20-110N/mm^2$), steel yield strength ($f_y=220-850N/mm^2$), width-to-thickness (B/t) ratios in the range of 15-52, as well as the length-to-width (L/B) ratios in the range of 2-4. The predictions of the behaviour, ultimate axial strengths, and failure modes are compared with the available experimental results to verify the accuracy of the models developed. Furthermore, a design model is proposed for short square and rectangular CFSTCs. Additionally, comparisons with the prediction of axial load capacity by using the proposed design model, Australian Standard and Eurocode 4 code provisions for box composite columns are carried out.
A series of tests was performed to consider the behaviour of short composite columns under axial compressive loading, covering a range of S275 and S355 grade steel square hollow section filled with normal and high strength concrete. The interaction between the steel and the concrete component is considered and the results show that concrete shrinkage has an effect on the axial strength of the column. Comparisons between Eurocode 4, ACI-318 and the Australian Standards with the findings of this research were made. Result showed the equation used by the ACI-318 and the proposed Australian Standards gave better predication for the axial capacity of concrete filled SHS columns than the Eurocode 4.
Extensive research has been conducted on the basic mechanical property and structural applications of engineered cementitious composites (ECC). Despite the high tensile ductility and high toughness of ECC, transverse steel reinforcement is still necessary to confine ECC for high performance. However, limited research has examined performance of ECC confined with practical amount of transverse reinforcement. This paper presents the results of axial compression tests on 14 square ECC columns and 4 conventional concrete columns (used as control specimens) with transverse reinforcement. The test variables were spacing, configuration (square ties or square and diamond shape ties), and yield strength of stirrups. The test showed that ECC columns confined with steel stirrup had good compressive ductility, and the stirrup spacing had the greatest effect on the compressive performance. The self-confinement effect of ECC results in a more uniform but slower expansion of the whole column compared with CC ones. The test results are then compared against the predictions from a number of existing models for conventional confined concrete. It is indicated that these models fail to predict the axial strains at peak axial stress and the trend of the stress-strain curve of steel stirrups-confined ECC with sufficient accuracy. Several new equations are then proposed for the compressive properties of steel-confined ECC based on test results and potential approaches for future studies are proposed.
This paper numerically investigated the behavior of built-up square concrete-filled steel tubular (CFST) columns under combined preload and axial compression. The finite element (FE) models of target columns were verified in terms of failure mode, axial load-deformation curve and ultimate strength. A full-range analysis on the axial load-deformation response as well as the interaction behavior was conducted to reveal the composite mechanism. The parametric study was performed to investigate the influences of material strengths and geometric sizes. Subsequently, influence of construction preload on the full-range behavior and confinement effect was investigated. Numerical results indicate that the axial load-deformation curve can be divided into four working stages where the contact pressure of curling rib arc gradually disappears as the steel tube buckles; increasing width-to-thickness (B/t) ratio can enhance the strength enhancement index (e.g., an increment of 1.88% from B/t=40 to B/t=100), though ultimate strength and ductility are decreased; stiffener length and lip inclination angle display a slight influence on strength enhancement index and ductility; construction preload can degrade the plastic deformation capacity and postpone the origin appearance of contact pressure, thus making a decrease of 14.81%~27.23% in ductility. Finally, a revised equation for determining strain εscy corresponding to ultimate strength was proposed to evaluate the plastic deformation capacity of built-up square CFST columns.
This experimental study investigates the effectiveness of applying carbon fiber reinforced polymer (CFRP) jackets for the retrofit of short reinforced concrete (RC) columns with inadequate transverse reinforcement and stirrup spacing to longitudinal rebar diameter equal to 12. RC columns scaled at 1/3, with round and square section, were subjected to axial compression up to failure. A damage scale is introduced for the assessment of the damage severity, which focusses on the extent of buckling of the longitudinal rebars. The damaged specimens were subsequently repaired with unidirectional CFRP jackets without any treatment of the buckled reinforcing bars and were finally re-tested to failure. Test results indicate that CFRP jackets may be effectively applied to rehabilitate RC columns (a) with inadequate transverse reinforcement constructed according to older practices so as to meet modern code requirements, and (b) with moderately buckled bars without the need of previously repairing the reinforcement bars, an application technique which may considerably facilitate the retrofit of earthquake damaged RC columns. Factors for the estimation of the reduced mechanical properties of the repaired specimens compared to the respective values for intact CFRP-jacketed specimens, in relation to the level of damage prior to retrofit, are proposed both for the compressive strength and the average modulus of elasticity. It was determined that the compressive strength of the retrofitted CFRP-jacketed columns is reduced by 90% to 65%, while the average modulus of elasticity is lower by 60% to 25% in respect to similar undamaged columns jacketed with the same layers of CFRP.
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.
This paper deals with the experimental study on strength the strength and deformation characteristics of short circular Concrete Filled Steel Tube (CFST) columns. Effect of vertical stiffeners on the behavior of the column is studied under axial compressive loading. Intermittently welded vertical stiffeners are used to strengthen the tubes. Stiffeners are attached to the inner surface of tube by welding through pre drilled holes on the tube. The variable of the study is the spacing of the weld between stiffeners and circular tube. A total of 5 specimens with different weld spacing (60 mm, 75 mm, 100 mm, 150 mm and 350 mm) were prepared and tested. Short CFST columns of height 350 mm, outer tube diameter of 165 mm and thickness of 4.5 mm were used in the study. Concrete of cube compressive strength $41N/mm^2$ and steel tubes with yield strength $310N/mm^2$ are adopted. The test results indicate that the strength and deformation of the circular CFST column is found to be significantly influenced by the weld spacing. The ultimate axial load carrying capacity was found to increase by 11% when the spacing of weld is reduced from 350 mm to 60 mm. The vertical stiffeners are found to effective in enhancing the initial stiffness and ductility of CFST columns. The prediction models were developed for strength and deformation of CFST columns. The prediction is found to be in good agreement with the corresponding test data.
This paper summarizes an experimental and analytical study on the seismic behavior of high strength reinforced concrete columns under cyclic loading. In total six cantilever columns with different sizes and concrete compressive strengths were tested. Three columns, small size, had a $325{\times}325$ mm cross section and the three other columns, medium size, were $520{\times}520$ mm. Concrete compressive strength was 80, 130 and 180 MPa. All specimens were designed in accordance with the Japanese design guidelines. The tests demonstrated that, for specimens made of 180 MPa concrete compressive strength, spalling of cover concrete was very brittle followed by a significant decrease in strength. Curvature was much important for the small size than for the medium size columns. Concrete compressive strength had no effect on the curvature distribution for a drift varying between -2% and +2%. However, it had an effect on the drift corresponding to the peak moment and on the equivalent viscous damping variation. Simple equations are proposed for 1) evaluating the concrete Young's modulus for high strength concrete and for 2) evaluating the moment-drift envelope curves for the medium size columns knowing that of the small size columns. Experimental moment-drift and axial strain-drift histories were well predicted using a fiber model developed by the authors.
Bernardo, Luis F.A.;Taborda, Catia S.B.;Gama, Jorge M.R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.55
no.1
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pp.1-27
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2015
This article presents a theoretical parametric analysis on the ultimate torsional behaviour of axially restrained reinforced concrete (RC) beams. This analysis is performed by using a computing procedure based on a modification of the Variable Angle Truss Model. This computing procedure was previously developed to account for the influence of the longitudinal compressive stress state due to the axial restraint conditions provided by the connections of the beams to other structural members. The presented parametric study aims to check the influence of some important variable studies, namely: torsional reinforcement ratio, compressive concrete strength and axial restraint level. From the results of this parametric study, nonlinear regression analyses are performed and some design charts are proposed. Such charts allow to correct the resistance torque of RC beams (rectangular sections with small height to width ratios) to account for the favorable influence of the axial restraint.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2001.11a
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pp.459-464
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2001
A great level of strength and deformability on compressive zone of RC wall is essentially required when subjected to high axial and in-plane lateral loading due to earthquakes. One of the best ways to handle this situation is to provide the confinement effectiveness to the compressive zone by reinforcing steel. For this a series of design charts were constructed to evaluate the confinement effectiveness for a given steel configuration in accordance with a well-known model and part of them are presented in this paper. Using the chart, designers can choose a desirable steel arrangement in flexural compressive zone of RC walls for a prescribed confinement factor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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