Large-scale earthquakes pose serious threats to infrastructure causing substantial damage and large residual deformations. Superelastic (SE) Shape-Memory-Alloys (SMAs) are unique alloys with the ability to undergo large deformations, but can recover its original shape upon stress removal. The purpose of this research is to exploit this characteristic of SMAs such that concrete Beam-Column Joints (BCJs) reinforced with SMA bars at the plastic hinge region experience reduced residual deformation at the end of earthquakes. Another objective is to evaluate the seismic performance of SMA Reinforced Concrete BCJs repaired with flowable Structural-Repair-Concrete (SRC). A $\frac{3}{4}$-scale BCJ reinforced with SMA rebars in the plastic-hinge zone was tested under reversed cyclic loading, and subsequently repaired and retested. The joint was selected from an RC building located in the seismic region of western Canada. It was designed and detailed according to the NBCC 2005 and CSA A23.3-04 recommendations. The behaviour under reversed cyclic loading of the original and repaired joints, their load-storey drift, and energy dissipation ability were compared. The results demonstrate that SMA-RC BCJs are able to recover nearly all of their post-yield deformation, requiring a minimum amount of repair, even after a large earthquake, proving to be smart structural elements. It was also shown that the use of SRC to repair damaged BCJs can restore its full capacity.
Existing reinforced concrete building structures have seismic vulnerabilities under successive earthquakes (or mainshock-aftershock sequences) due to their inadequate column detailing, which leads to shear failure in the columns. To improve the shear capacity and ductility of the shear-critical columns, a fiber-reinforced polymer jacketing system has been widely used for seismic retrofit and repair. This study proposed a numerical modeling technique for damaged reinforced concrete columns repaired using the fiber-reinforced polymer jacketing system and validated the numerical responses with past experimental results. The column model well captured the experimental results in terms of lateral forces, stiffness, energy dissipation and failure modes. The proposed column modeling method enables to predict post-repair effects on structures initially damaged by mainshock.
The effectiveness of the repair scheme for the damaged captive-columns with CFRPs (Carbon Fiber Reinforced Polymer) was investigated in terms of response quantities such as strength, ductility, dissipated energy and stiffness degradation. Two 1/3 scale, one-story one-bay RC (Reinforced Concrete) frames were designed to represent the substandard RC buildings in Turkish building stock. The first one, which is the reference specimen, is the bare frame without infill wall. Partial infill wall with opening was constructed between the columns of the second frame and this caused captive column defect. Severe damage was observed with the concentration of shear cracks in the second specimen columns. Then, the damaged members were repaired by CFRP wrapping and retested. For the three test series, similar reversed cyclic lateral displacement under combined effect of axial load was applied to the top of the columns. Overall response of the bare frame was dominated by flexural cracks. Brittle type of shear failure in the column top ends was observed in the specimen with partial infill wall. It was observed that former capacity of damaged members of the second frame was recovered by the applied repair scheme. Moreover, ultimate displacement capacity of the damaged frame was improved considerably by CFRP wrapping.
The efficacy of a technique for the rehabilitation and strengthening of RC beam-column connections damaged due to cyclic loading was investigated. The repair mainly uses epoxy resin infused under pressure into the damaged region to retrieved back the lost capacity and then strengthening using fiber reinforced polymer (FRP) sheets for capacity enhancement. Three common types of reduced scale RC exterior beam-column connections namely (a) beam-column connection with beam weak in flexure (BWF) (b) beam-column connections with beam weak in shear (BWS) and (c) beam-column connections with column weak in shear (CWS) subjected to reversed cyclic loading were considered for the experimental investigation. The rehabilitated and strengthened specimens were also subjected to similar cyclic displacement. Important parameters related to seismic capacity such as strength, stiffness degradation, energy dissipation, and ductility were evaluated. The rehabilitated connections exhibited equal or better performance and hence the adopted rehabilitation strategies could be considered as satisfactory. Confinement of damaged region using FRP sheet significantly enhanced the seismic capacity of the connections.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제9권3호
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pp.345-367
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2015
Past earthquakes have signaled the increased collapse vulnerability of mainshock-damaged bridge piers and urgent need of repair interventions prior to subsequent cascading hazard events, such as aftershocks, triggered by the mainshock (MS). The overarching goal of this study is to quantify the collapse vulnerability of mainshock-damaged substandard RC bridge piers rehabilitated with different repair jackets (FRP, conventional thick steel and hybrid jacket) under aftershock (AS) attacks of various intensities. The efficacy of repair jackets on post-MS resilience of repaired bridges is quantified for a prototype two-span single-column bridge bent with lap-splice deficiency at column-footing interface. Extensive number of incremental dynamic time history analyses on numerical finite element bridge models with deteriorating properties under back-to-back MS-AS sequences were utilized to evaluate the efficacy of different repair jackets on the post-repair behavior of RC bridges subjected to AS attacks. Results indicate the dramatic impact of repair jacket application on post-MS resilience of damaged bridge piers-up to 45.5 % increase of structural collapse capacity-subjected to aftershocks of multiple intensities. Besides, the efficacy of repair jackets is found to be proportionate to the intensity of AS attacks. Moreover, the steel jacket exhibited to be the most vulnerable repair intervention compared to CFRP, irrespective of the seismic sequence (severe MS-severe or moderate AS) or earthquake type (near-fault or far-fault).
Reinforced concrete (RC) bridge columns are typically designated as the primary source of energy dissipation for a bridge structure during an earthquake. Therefore, seismic repair of RC bridge columns has been studied extensively during the past several decades. On the other hand, few studies have been conducted to evaluate how repaired column members influence the system-level response of an RC bridge structure in subsequent earthquakes. In this study, a numerical model was established to simulate the response of two large-scale RC columns, repaired using different techniques, reported in the literature. The columns were implemented into a prototype bridge model that was subjected to earthquake loading. Incremental dynamic analysis (IDA) and fragility analysis were conducted on numerical bridge models to evaluate the efficacy of the repairs and the post-repair seismic performance of the prototype bridge that included one or more repaired columns in various locations. For the prototype bridge herein modeled, the results showed that a confinement-enhanced oriented repair would not affect the seismic behavior of the prototype bridge. Increasing the strength of the longitudinal reinforcement could effectively reduce the drift of the prototype bridge in subsequent earthquakes. A full repair configuration for the columns was the most effective method for enhancing the seismic performance of the prototype bridge. To obtain a positive effect on seismic performance, a minimum of two repaired columns was required.
In this paper three damaged exterior RC beam-column joints made of recycled aggregate concrete (RAC) were repaired. The aim of the study was to restore back the lost capacity of the beam-column joint to the original state or more. A relatively cheap material locally available galvanized steel welded wire mesh (GSWWM) of grid size 25 mm was used to confine the damaged region and then jacketed with cement mortar. Repaired specimens were also subjected to similar cyclic displacement as those of unrepaired specimens. Seismic parameters such as load carrying capacity, ductility, energy dissipation, stiffness degradation etc. were analyzed. Results show that repaired specimens exhibited better seismic performance and hence the adopted repairing strategies could be considered as satisfactory. These findings would be helpful to the field engineers to adopt a suitable rapid and cost efficient repairing technique for restoring the damaged frame structural joints for post earthquake usage.
The efficacy of a galvanized steel wire mesh (GSWM) as an alternative material for the rehabilitation of RC beam-column connections damaged due to reversed cyclic loading was investigated. The repair mainly uses epoxy resin infused under pressure into the damaged zone and then confined using three types of locally available GSWM mesh. The mesh types used herein are (a) Weave type square mesh with 2mm grid opening (GWSM-1) (b) Twisted wire mesh with hexagonal opening of 15 mm (GSWM-2) and (c) welded wire mesh with square opening of 25 mm (GSWM-3). A reduced scale RC beam-column connection detailed as per ductile detailing codes of Indian Standard was considered for the experimental investigation. The rehabilitated specimens were also subjected to similar cyclic displacement. Important parameters related to seismic capacity such as strength, stiffness degradation, energy dissipation, and ductility were evaluated. The rehabilitated connections exhibited equal or better performance and hence the adopted rehabilitation strategies could be considered as satisfactory. Confinement of damaged region using GSWM-1 significantly enhanced the seismic capacity of the connections.
In damage investigation of building structures suffering from earthquake, estimation of residual seismic capacity is essential in order to access the safety of the building against aftershocks and to judge the necessity of repair and restoration. It has been proposed that an evaluation method for post-earthquake seismic capacity of reinforced concrete buildings based. on the residual energy dissipation capacity (the residual seismic capacity ratio )in lateral force-displacement curve of structural members. The proposed method was adopted in the Japanese 'Damage Level Classification Standard' revised in 200l. To evaluate the residual seismic capacity of RC column, experimental tests with positive and negative cyclic loading was carried out using RC building column specimen. Parameters used by the experiment are deformability and member proportion. From the test results, it is appropriated that the residual seismic capacity of RC buildings damaged by earthquakes is evaluated using the method in the Guideline.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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