Reinforced concrete beam-column (RCBC) joints of laterally loaded unbraced frames are sometimes controlled by their shear behavior. This behavior relies on multiple and interdependent complex mechanisms. There are already several studies on the influence of some parameters on the shear strength of reinforced concrete joints. However, there are no studies methodically tackling all the most relevant parameters and quantifying their influence on the overall joint behavior, not just on its shear strength. Hence, considering the prohibitive cost of a comprehensive parametric experimental investigation, a nonlinear finite element analysis (NLFEA) was undertaken to identify the key factors affecting the shear behavior of such joints and quantify their influence. The paper presents and discusses the models employed in this NLFEA and the procedure used to deduce the joint behavior from the NLFEA results. Three alternative, or complementary, quantities related to shear are considered when comparing results, namely, the maximum shear stress supported by the joint, the secant shear stiffness at maximum shear stress and the secant shear stiffness in service conditions. Depending on which of these is considered, the lower or higher the relevance of each of the six parameters investigated: transverse reinforcement in the joint, intermediate longitudinal bars and diagonal bars in the column, concrete strength, column axial load and confining elements in transverse direction.
In this study, to investigate the seismic performance of beam-column joints using concrete-encased and -filled circular steel tube(CEFT) columns, two types of tests were performed: (1) column - flange tension test and (2) beam - column joint cyclic load test. In column - flange tension test, test parameters were concrete encasement and connection details: flange width and strengthening rebar. Five specimens were tested to investigate the load-carrying capacity and the failure mode. Test results showed that increase of flange width from 200mm to 350mm result in increase of connection strength and stiffness by 61% and 56%, respectively. Structural performances were further improved with addition of tensile rebars by 35% and 92%, respectively. In cyclic loading test, three exterior beam-column joints were prepared. Test parameters were strengthening details including additional tensile rebars, thickened steel tube, and vertical plate connection. In all joint specimens, flexural yielding of beam was occurred with limited damages in the connection regions. In particular, flexural capacity of beam-column joint was increased due to additional load transfer through tube - beam web connection. Also, connection details such as increase of tube thickness and using vertical plate connection were effective in improving the resistance of panel zone.
The use of fiber reinforced polymer (FRP) reinforcement in concrete structures has been on the rise due to its advantages over conventional steel reinforcement such as corrosion. Reinforcing steel corrosion has been the primary cause of deterioration of reinforced concrete (RC) structures, resulting in tremendous annual repair costs. One application of FRP reinforcement to be further explored is its use in RC frames. Nonetheless, due to FRP's inherently elastic behavior, FRP-reinforced (FRP-RC) members exhibit low ductility and energy dissipation as well as different damage mechanisms. Furthermore, current design standards for FRP-RC structures do not address seismic design in which the beam-column joint is a key issue. During an earthquake, the safety of beam-column joints is essential to the whole structure integrity. Thus, research is needed to gain better understanding of the behavior of FRP-RC structures and their damage mechanisms under seismic loading. In this study, two full-scale beam-column joint specimens reinforced with steel and GFRP configurations were tested under quasi-static loading. The control steel-reinforced specimen was detailed according to current design code provisions. The GFRP-RC specimen was detailed in a similar scheme. The damage in the two specimens is characterized to compare their performance under simulated seismic loading.
Several two-dimensional analytical beam column joint models with varying complexities have been proposed in quantifying joint flexibility during seismic vulnerability assessment of non-ductile reinforced concrete (RC) frames. Notable models are the single component rotational spring element and the super element joint model that can effectively capture the governing inelastic mechanisms under severe ground motions. Even though both models have been extensively calibrated and verified using quasi-static test of joint sub-assemblages, a comparative study of the inelastic seismic responses under nonlinear time history analysis (NTHA) of RC frames has not been thoroughly evaluated. This study employs three hypothetical case study RC frames subjected to increasing ground motion intensities to study their inherent variations. Results indicate that the super element joint model overestimates the transient drift ratio at the first story and becomes highly un-conservative by under-predicting the drift ratios at the roof level when compared to the single-component model and the conventional rigid joint assumption. In addition, between these story levels, a decline in the drift ratios is observed as the story level increased. However, from this limited study, there is no consistent evidence to suggest that care should be taken in selecting either a single or multi component joint model for seismic risk assessment of buildings when a global demand measure such as maximum inter-storey drift is employed in the seismic assessment framework.
The research study is focuses on a form of all-bolted joint with the external ring stiffening plate in the prefabricated steel structure. The components are bolted at site after being fabricated in the factory. Six specimens were tested under cyclic loading, and the effects of column axial compression ratio, concrete-filled column, beam flange sub plate, beam web angle cleats, and spliced column on the failure mode, hysteretic behavior and ductility of the joints were analyzed. The results shown that the proposed all-bolted joint with external ring stiffening plate performed high bearing capability, stable inflexibility degradation, high ductility and plump hysteretic curve. The primary failure modes were bucking at beam end, cracking at the variable section of the external ring stiffening plate, and finally welds fracturing between external ring stiffening plate and column wall. The bearing capability of the joints reduced with the axial compression ratio increased. The use of concrete-filled steel tube column can increase the bearing capability of joints. The existence of the beam flange sub plate, and beam web angle cleat improves the energy dissipation, ductility, bearing capacity and original rigidity of the joint, but also increase the stress concentration at the variable section of the external reinforcing ring plate. The proposed joints with spliced column also performed desirable integrity, large bearing capacity, initial stiffness and energy dissipation capacity for engineering application by reasonable design.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.6
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pp.68-75
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2021
In this study, the anchoring performance of 57mm headed bars anchored at the external beam-column joint under cyclic loading was evaluated. A total of 6 external beam-column joint test specimens were planned, and anchorage performance was evaluated by setting concrete compressive strength, side covering thickness, lateral reinforcement ratio, and fracture type as major experimental variables. As result of cyclic loading test, it was found that the factors that had the greatest influence on the anchoring capacity of the large-diameter headed bar anchored at the joint were the side cover thickness and the transverse reinforcing bar. It was confirmed that the 57mm large-diameter headed bar anchored at the external beam-column joint showed sufficient anchoring capacity even under cyclic loading.
The behavior of beam-column joints in moment resisting frame structures is susceptible to damage caused by seismic effects due to poor performance of the joints. A good number of researches were carried out to understand the complex mechanism of RC joints considered in current seismic design codes. The traditional construction detailing of transverse reinforcement has resulted in serious joint failures during earthquakes. This paper introduces a new design philosophy involving the use of additional diagonal bars within the joint particularly suitable for low to medium seismic effects in earthquake zones. In this study, ten full-scale interior beam-column specimens were constructed with various additional reinforcement details and configurations. The results of the experiment showed that adding additional bars is a promising approach in reinforced concrete structures where earthquakes are eminent. In terms of overall cracking observation during the test, the specimens with additional bars (diagonal and straight) compared with the ones without them showed fewer cracks in the column. Furthermore, concrete confinement is certainly an important design measure as recommended by most international codes.
This study presents a new beam-column model comprising material nonlinearity and joint flexibility to predict the nonlinear response of reinforced concrete structures. The nonlinear behavior of connections has an outstanding role on the nonlinear response of reinforced concrete structures. In presented research, the joint flexibility is considered applying a rotational spring at each end of the member. To derive the moment-rotation behavior of beam-column connections, the relative rotations produced by the relative slip of flexural reinforcement in the joint and the flexural cracking of the beam end are taken into consideration. Furthermore, the considered spread plasticity model, unlike the previous models that have been developed based on the linear moment distribution subjected to lateral loads includes both lateral and gravity load effects, simultaneously. To confirm the accuracy of the proposed methodology, a simply-supported test beam and three reinforced concrete frames are considered. Pushover and nonlinear dynamic analysis of three numerical examples are performed. In these examples the nonlinear behavior of connections and the material nonlinearity using the proposed methodology and also linear flexibility model with different number of elements for each member and fiber based distributed plasticity model with different number of integration points are simulated. Comparing the results of the proposed methodology with those of the aforementioned models describes that suggested model that only uses one element for each member can appropriately estimate the nonlinear behavior of reinforced concrete structures.
This paper presents an experimental study to assess the effectiveness of using ferrocement to strengthen deficient beam-column joints. Ferrocement is proposed to protect the joint region through replacing concrete cover. Six exterior beam-column joints, including two control specimens and four strengthened specimens, are prepared and tested under constant axial load and quasi-static cyclic loading. Two levels of axial load on column (0.2fc'Ag and 0.4fc'Ag) and two types of skeletal reinforcements in ferrocement (grid reinforcements and diagonal reinforcements) are considered as test variables. Experimental results have indicated that ferrocement as a composite material can enhance the seismic performance of deficient beam-column joints in terms of peak horizontal load, energy dissipation, stiffness and joint shear strength. Shear distortions within the joints are significantly reduced for the strengthened specimens. High axial load (0.4fc'Ag) has a detrimental effect on peak horizontal load for both control and ferrocement-strengthened specimens. Specimens strengthened by ferrocement with two types of skeletal reinforcements perform similarly. Finally, a method is proposed to predict shear strength of beam-column joints strengthened by ferrocement.
One of the most complex reinforcement location in the precast building frame is the beam-column joint in a prefabricated construction. It is generally resulted from the vortical bars of column, anchorage bars of beam, and bars of hoop. Particularly the hooked anchorage bars of beam are confronted with hoop and main column bars. The headed reinforcement is considered to place them easily and to reduce the anchorage length in a precast construction. Reversed cyclic loading tests are performed on four beam-column specimens to evaluate the strength and behavior of beam to column and column to column connections. The result of test shows that the headed reinforcement has a similar performance than that of hooked reinforcement in a precast specimen with strong column and weak beam joints. The splice column joints which are used frequently in the domestic fields also show reliable behaviors in those tests with strong column and weak beam joints.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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