This paper introduces a method to determine strut-tie models in reinforced concrete (RC) structures using the evolutionary structural optimization (ESO). Even though strut-tie models are broadly adapted in design of reinforced concrete members subjected to shear and torsion, conventional methods can hardly give correct models in RC members subjected to complex loadings and geometry conditions. In this paper, the basic idea of the ESO method is used to determine more rational strut-tie models. Since an optimum topology of structures, finally obtained by the ESO method, usually represents a truss-like structure, the ESO method can effectively be used in finding the best strut-tie model in RC structures. Several example structures are provided to demonstrate the capability of the proposed method in finding the best strut-tie model of each RC structure and to verify its efficiency in application to real design problems.
Beam-column joints of the skeleton structure can be classified as geometrical D-region, where the assumption of Bernoulli is not applicable. For the detailing of D-region in concrete structure, "Strut-and-Tie' Model is a very powerful tool, which has been widely used by practical engineers. This paper shows how the methodology of Strut-and-Tie Model can be applied for the various cases of beam-column joints. We can find this mechanical model does not give only an appropriate answer to the given problem but also a better insight to the structral behavior of beam-column joints.
Hong, Sung-Gul;Lee, Soo-Gon;Hong, Seongwon;Kang, Thomas H.K.
Computers and Concrete
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제18권6호
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pp.1213-1234
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2016
This paper describes a deformation-based strut-and-tie model for the flexural members at post-yield state. Boundary deformation conditions by flexural post-yield response are chosen in terms of the flexural bar strains as the main factor influenced on the shear strength. The main purpose of the proposed model is to predict the shear capacities of the flexural members associated with the given flexural deformation conditions. To verify the proposed strut-and-tie model, the estimated shear strengths depending on the flexural deformation are compared with the experimental results. The experimental data are in good agreement with the values obtained by the proposed model.
이 논문은 ESO 기법을 기초로 한 Strut-Tie 모델의 구성을 제안하고 있다. 평면응력 요소를 사용한 기존의 ESO방법과 달리, ESO기법에 의해 최적화된 구조가 트러스와 비슷한 형태를 가지는 사실에 기인하여, Strut-Tie 모델을 통한 전단설계에 트러스 요소를 사용한 ESO기법을 새롭게 적용하였다. 예제들을 통해 제안된 방법이 가장 좋은 Strut-Tie 모델을 찾을 수 있음을 입증하였으며, 앞서 2차원 평면응력 요소와 Strut-Tie 모델의 연관성에 대한 연구를 통해 ESO방법이 효과적으로 사용될 수 있음은 물론 경험하지 못한 특히 복잡한 철근 콘크리트 구조물의 전단설계에 효과적으로 사용이 가능한 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
Previous experimental researches indicate that reinforced concrete beam-column joints play an important role in the mechanical properties of moment resisting frame structures, so as to require proper design. In order to get better understanding of the beam-column joint performance, a rational model needs to be developed. Based on the former considerations, two typical models for calculating the shear carrying capacity of the beam-column joint including the inelastic reinforced concrete joint model and the softened strut-and-tie model are selected to be introduced and analyzed. After examining the applicability of two typical models mentioned earlier to interior beam-column joints, several adjustments are made to get better predicting of the test results. For the softened strut-and-tie model, four adjustments including modifications of the depth of the diagonal strut, the inclination angle of diagonal compression strut, the smeared stress of mild steel bars embedded in concrete, as well as the softening coefficient are made. While two adjustments for the inelastic reinforced concrete joint model including modifications of the confinement effect due to the column axial load and the correction coefficient for high concrete are made. It has been proved by test data that predicted results by the improved softened strut-and-tie model or the modified inelastic reinforced concrete joint model are consistent with the test data and conservative. Based on the test results, it is also not difficult to find that the improved beam-column joint model can be used to predict the joint carrying capacity and cracks development with sufficient accuracy.
스트럿-타이 모델 방법을 이용한 콘크리트 구조부재의 설계 시 가장 중요한 요소 중 하나는 콘크리트 스트럿의 유효강도를 정확하게 결정하는 것이다. 콘크리트 스트럿의 유효강도를 결정하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 여러 종류의 스트럿의 유효강도 값 및 산정식이 제안되었다. 그러나 이들은 2차원 콘크리트 구조부재의 스트럿-타이 모델 설계를 위한 것으로, 그 값을 3차원 콘크리트 구조부재의 설계에 적용하는 것은 적절하지 않다. 이 연구에서는 콘크리트 스트럿이 위치한 곳의 3축 응력 상태, 콘크리트의 3차원 파괴기준, 스트럿 길이의 영향, 스트럿과 압축 주응력 흐름과의 불일치의 영향, 콘크리트 압축강도의 영향, 그리고 철근에 의한 콘크리트 스트럿의 구속의 정도 등을 고려하여 3차원 콘크리트 스트럿의 유효강도를 일관성 있게 결정할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위해 기존 연구자들에 의해 파괴실험이 수행된 115개의 철근콘크리트 파일캡 시험체의 극한강도를 평가하였으며, 그 결과를 실험결과 및 현행 설계기준에서 제안한 스트럿의 유효강도 값을 이용하여 평가한 결과와 비교분석하였다.
This paper presents a deformable strut-and-tie model of determining the shear strengths and ultimate deformations of the shear-dominant reinforced concrete members. The proposed model originates from the strut-and-tie model concept and satisfies equilibrium, compatibility, constitutive laws, and the geometric conditions of shear deformation. This study attempts to apply deformation patterns to strut-and-tie models. The yielding of flexural reinforcements determines yielding states and the ultimate states of reinforced concrete coupling beam are defined as the ultimate compressive strain of struts and the degradation of compressive strength due to principal tensile strain of struts. The validity and accuracy of the proposed model is then tested against available experimental data. The parameters reviewed include the ratios of truss action and arch action, the reinforcement ratios, and the shear span-depth ratio. It is expected that this model can be applied to displacement-based design methods.
This paper represents the investigation of the shear fatigue behavior and damage procedure of reinforced concrete beams subject to repeated loading using the strut-tie model. Damage Index is defined as the ratio of deflection at each cycle to the ultimate deflection of inelastic region. Two types of strut-tie model are designed according to the inclined angles of concrete-struts and the consideration of concrete-ties. In one model, aggregate interlock and resistance of uncracked concrete are regarded as the main sheat resisting mechanism and in the other, stirrup is. The results show that the strut-tie model combined with damage index can describe the shear fatigue behavior of RC beams subject to repeated loading effectively.
This paper presents a deformable strut-and-tie model of determining the shear strengths and ultimate deformations of the shear-dominant reinforced concrete members. The proposed model originates from the strut-and-tie model concept and satisfies equilibrium, compatibility, constitutive laws, and the geometric conditions of shear deformation. This study attempts to apply deformation patterns to strut-and-tie models. The yielding of flexural reinforcements determines yielding states and the ultimate states of reinforced concrete coupling beam are defined as the ultimate compressive strain of struts and the degradation of compressive strength due to principal tensile strain of struts. The validity and accuracy of the proposed model is then tested against available experimental data. The parameters reviewed include the ratios of truss action and arch action, the reinforcement ratios, and the shear span-depth ratio. It is expected that this model can be applied to displacement-based design methods.
이 논문에서는 스트럿-타이 모델을 이용한 프리스트레스트 콘크리트 보의 해석 및 설계 시 프리스트레스트 콘크리트 보의 비선형 파괴거동 특성 및 복잡한 하중전달 메커니즘을 합리적인 방법으로 반영할 수 있는 단순한 형태의 부정정 스트럿-타이 모델을 제안하였다. 또한 현행 설계기준서의 스트럿-타이 모델 규정을 이 연구에서 제안한 부정정 스트럿-타이 모델에 접목시켜 프리스트레스트 콘크리트 보의 해석 및 설계를 수행할 수 있는 부정정 스트럿-타이 모델의 하중분배율을 제안하였다. 이 연구에서 제안한 부정정 스트럿-타이 모델 및 하중분배율의 적합성을 검증하기 위해 파괴실험이 수행된 47개의 프리스트레스트 콘크리트 보의 극한강도를 평가하였으며, 그 결과를 현행 설계기준서의 스트럿-타이 모델 방법에 의한 평가결과와 비교분석 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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