In this paper, an analytical model is proposed for analyzing the hysteretic behavior of RC beam with relocated plastic hinge region under load reversals. The plastic hinge is modeled not to be concentrated on a point but to be distributed on a finite size in beam. This is based on the assumption that the plastic hinge is formed over a certain region, in which the curvature varies. Tangential matrix is reformed using stiffness coefficients including variales such as the length and location of plastic hinge region. In order to construct the hysteretic rule of hinge, modified Takeda rule is also proposed on the base of regression analysis for the previous test results. Previous specimens are analyzed using the proposed model and the result is compared with test result. On the result of the comparison, it was shown that the hysteretic behavior of beams with different location of plastic hinge region could be prediced using the proposed analytical process.
최근 들어 고강도 철근의 사용이 증가하고 있지만, 지진위험이 있는 지역의 내진구조물에 있어서는 고강도 철근의 취성적 성질로 인해 그 사용이 제한되어 왔다. 그러나, 철근의 연성의 변화가 기둥의 부재레벨의 연성도에 미치는 영향에 대해서는 많은 연구가 없는 실정이다. 특히 고강도 철근을 사용하는 경우 철근의 연성의 변화로 인해 부재의 소성힌지 길이가 달라질 것으로 예상되지만, 기준의 소성힌지길이 산정식은 철근 등 재료의 특성을 고려하지 못하고 있다. 지진하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 소성힌지길이는 실험을 통해서 측정하기는 어려움이 많다. 따라서, 본 논문에서는 해석적인 방법을 통하여 재료레벨의 연성, 특히 철근의 연성이 소성힌지의 생성에 미치는 영향을 평가하고, 그 영향을 고려한 소성힌지길이 산정식을 제안하고자 한다.
This paper presents a parametric study of the plastic hinge length of circular reinforced concrete columns using a three-dimensional finite element analysis method, and using the Taguchi robust design method to reduce computational cost. Parameters examined include the longitudinal reinforcing ratio, the shear span-to-depth ratio, the axial force ratio and the concrete compressive strength. The study considers longitudinal reinforcement with yield strengths of 414 MPa and 685 MPa, and proposes simplified formulas for the plastic hinge length of circular reinforced concrete columns, showing that increases in plastic hinge length correlate to increases in the axial load, longitudinal reinforcing and shear span-to-depth ratios. As concrete strength increases, the plastic hinge length decreases for the 414 MPa case but increases for the 685 MPa case.
The purpose of this study is to investigate how a fully restrained bolted beam splice affects the connection behavior as a column-tree connection in steel special moment frames under cyclic loading when located within the plastic hinge zone. The impacts of this attachment in protected zone are observed by using nonlinear finite element analyses. This type of splice connection is designed as slip-critical connection and thereby, the possible effects of slippage of the bolts due to a possible loss of pretension in the bolts are also investigated. The 3D models with solid elements that have been developed includes three types of connections which are the connection having fully restrained beam splice located in the plastic hinge location, the connection having fully restrained beam splice located out of the plastic hinge and the connection without beam splice. All connection models satisfied the requirement for the special moment frame connections providing sufficient flexural resistance, determined at column face stated in AISC 341-16. In the connection model having fully restrained beam splice located in the plastic hinge, due to the pretension loss in the bolts, the friction force on the contact surfaces is exceeded, resulting in a relative slip. The reduction in the energy dissipation capacity of the connection is observed to be insignificant. The possibility of the crack occurrence around the bolt holes closest to the column face is found to be higher for the splice connection within the protected zone.
Bafti, Farzad Ghaderi;Mortezaei, Alireza;Kheyroddin, Ali
Structural Engineering and Mechanics
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제69권6호
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pp.651-665
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2019
Past earthquakes have shown that appropriately designed and detailed buildings with shear walls have great performance such a way that a considerable portion of inelastic energy dissipation occurs in these structural elements. A plastic hinge is fundamentally an energy diminishing means which decrease seismic input energy through the inelastic deformation. Plastic hinge development in a RC shear wall in the areas which have plastic behavior depends on the ground motions characteristics as well as shear wall details. One of the most generally used forms of structural walls is flanged RC wall. Because of the flanges, these types of shear walls have large in-plane and out-of-plane stiffness and develop high shear stresses. Hence, the purpose of this paper is to evaluate the main characteristics of these structural components and provide a more comprehensive expression of plastic hinge length in the application of performance-based seismic design method and promote the development of seismic design codes for shear walls. In this regard, the effects of axial load level, wall height, wall web and flange length, as well as various features of earthquakes, are examined numerically by finite element methods and the outcomes are compared with consistent experimental data. Based on the results, a new expression is developed which can be utilized to determine the length of plastic hinge area in the flanged RC shear walls.
Abouzar Jafari;Meysam Beheshti;Amir Ali Shahmansouri;Habib Akbarzadeh Bengar
Steel and Composite Structures
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제48권4호
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pp.367-383
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2023
A coupled wall consists of two or more reinforced concrete (RC) shear walls (SWs) connected by RC coupling beams (CBs) or steel CBs (hybrid-coupled walls). To fill the gap in the literature on the plastic hinge length of coupled walls, including coupled and hybrid-coupled shear walls, a parametric study using experimentally validated numerical models was conducted considering the axial stress ratio (ASR) and coupling ratio (CR) as the study variables. A total of sixty numerical models, including both coupled and hybrid-coupled SWs, have been developed by varying the ASR and CR within the ranges of 0.027-0.25 and 0.2-0.5, respectively. A detailed analysis was conducted in order to estimate the ultimate drift, ultimate capacity, curvature profile, yielding height, and plastic hinge length of the models. Compared to hybrid-coupled SWs, coupled SWs possess a relatively higher capacity and curvature. Moreover, increasing the ASR changes the walls' behavior to a column-like member which decreases the walls' ultimate drift, ductility, curvature, and plastic hinge length. Increasing the CR of the coupled SWs increases the walls' capacity and the risk of abrupt shear failure but decreases the walls' ductility, ultimate drift and plastic hinge length. However, CR has a negligible effect on hybrid-coupled walls' ultimate drift and moment, curvature profile, yielding height and plastic hinge length. Lastly, using the obtained results two equations were derived as a function of CR and ASR for calculating the plastic hinge length of coupled and hybrid-coupled SWs.
Reinforced concrete beams show increased ductile behavior when the compressive concrete is confined with transverse steel. In the inelastic range, the most variations of ductile behaviour are defined the equivalent length of the plastic hinge and the plastic hinge rotation. In an investigation to study the influence of such confinement, sixteen reinforced concrete beams were tested in flexure and the deflections noted at all stages of loading. For all the beams tested, the plastic hinge rotation have been computed and the effect of confinement on the same examined. The conclusions are summarized as follows: The equivalent lengths of the plastic hinge are ranged within the effective depth comparatively. The ability of the plastic hinge rotation of the reinforced concrete beams confined with transverse steel are enlarged when transverse reinforcement content are increased, but the spaces are more important as the shear force are largely increased.
다주교각의 횡방향 철근비에 따른 연성도 및 소성힌지 영역을 단주교각과 비교하여 평가하였다. 횡방향 철근비가 높을수록 연성도 증가는 뚜렷하며 다주교각의 경우 교축직각방향 거동시에는 단주보다 더 큰 연성도 증가를 보였다. 또한 횡철근 배근을 위한 소성힌지영역을 산정하였으며 목표연성도를 크게 할수록 횡구속 철근비의 증가와 함께 횡구속 되어야 하는 소성힌지영역 또한 높아져야함을 밝혔다. 다주교각의 방향별 거동에 따른 소성힌지 영역에는 차이가 있으며, 다주교각의 교축직각방향 거동시에는 모멘트 분포의 차이에 의해 보다 낮은 구간에서 소성변형을 보인다.
The plastic hinge lengths of beams and columns are a critical demand parameter in the nonlinear analysis of structures using the finite element method. The numerical model of a plastic hinge plays an important role in evaluating the response and damage of a structure to earthquakes or other loads causing the formation of plastic hinges. Previous research demonstrates that the plastic hinge length of reinforced concrete (RC) columns is closely related to section size, reinforcement ratio, reinforcement strength, concrete strength, axial compression ratio, and so on. However, because of the limitations of testing facilities, there is a lack of experimental data on columns with large section sizes and high axial compression ratios. In this work, we conducted a series of quasi-static tests for columns with large section sizes (up to 700 mm) and high axial compression ratios (up to 0.6) to explore the propagation of plastic hinge length during the whole loading process. The experimental results show that besides these parameters mentioned in previous work, the plastic hinge of RC columns is also affected by loading amplitude and size effect. Therefore, an approach toward considering the effect of these two parameters is discussed in this work.
In this paper, the effect of material elasticity was evaluated through a simple model as proposed by Wang and Yu (1991), for yield mechanisms of a cantilever beam under tip pulse loading. The beam was assumed rigid-perfectly plastic but instead of the usual fully clamped constraints at its root, an elastic-perfectly plastic rotational spring was introduced there so the system had a certain capacity to absorb elastic energy. Compared with a rigid-perfectly plastic beam without a spring root, the present beam-spring model showed differences in the initial plastic hinge position and the minimum magnitude of the dynamic force needed to produce a plastic failure. It was also shown that various failure responses may happen while the hinge travels along the beam segment towards the root, rather than a unique response mode as in a rigid perfectly plastic analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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