This paper investigates the behavior of reinforced concrete (RC) circular columns under combined loading including torsion. The main variables considered in this study are the ratio of torsional moment to bending moment (T/M) and the level of detailing for moderate and high seismicity (low and high transverse reinforcement/spiral ratio). This paper presents the results of tests on seven columns subjected to cyclic bending and shear, cyclic torsion, and various levels of combined cyclic bending, shear, and torsion. Columns under combined loading were tested at T/M ratios of 0.2 and 0.4. These columns were reinforced with two spiral reinforcement ratios of 0.73% and 1.32%. Similarly, the columns subjected to pure torsion were tested with two spiral reinforcement ratios of 0.73% and 1.32%. This study examined the significance of proper detailing, and spiral reinforcement ratio and its effect on the torsional resistance under combined loading. The test results demonstrate that both the flexural and torsional capacities are decreased due to the effect of combined loading. Furthermore, they show a significant change in the failure mode and deformation characteristics depending on the spiral reinforcement ratio. The increase in spiral reinforcement ratio also led to significant improvement in strength and ductility.
Mondal, Tarutal Ghosh;Kothamuthyala, Sriharsha R.;Prakash, S. Suriya
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.1
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pp.11-21
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2017
It has been observed in the past that, the reinforced concrete (RC) bridge columns are very often subjected to torsional moment in addition to flexure and shear during seismic vibration. Ignoring torsion in the design can trigger unexpected shear failure of the columns (Farhey et al. 1993). Performance based seismic design is a popular design philosophy which calls for accurate prediction of the hysteresis behavior of structural elements to ensure safe and economical design under earthquake loading. However, very few investigations in the past focused on the development of analytical models to accurately predict the response of RC members under cyclic torsion. Previously developed hysteresis models are not readily applicable for torsional loading owing to significant pinching and stiffness degradation associated with torsion (Wang et al. 2014). The present study proposes an improved polygonal hysteresis model which can accurately predict the hysteretic behavior of RC circular and square columns under torsion. The primary curve is obtained from mechanics based softened truss model for torsion. The proposed model is validated with test data of two circular and two square columns. A good correlation is observed between the predicted and measured torque-twist behavior and dissipated energy.
Fracture of Al2O3 tubes for different loading path under combined tension/torsion was investigated. Macroscopic directions of crack propagation agreed well with the maximum principal stress criterion, independent of the loading path. However, fracture strength from the proportional loading test($\tau$/$\sigma$= constant) showed either strengthening or weakening compared to that from uniaxial tension, depending on the ratio $\tau$/$\sigma$. The Weibull theory was capable to predict the strengthening of fracture strength in pure torsion, but not the weakening in the proportional loading condition. The strengthening or weakening of fracture strength in the proportional loading condition was explained by the effect of shear stresses in the plane of randomly oriented microdefects. Finally, a new empirical fracture criterion was proposed. This criterion is based on a mixed mode fracture criterion and experimental data for fracture of Al2O3 tubes under combined tension/torsion. The proposed fracture criterion agreed well with experimental data for both macroscopic directions of crack propagation and fracture strengths.
Fatigue test was conducted on a S45C steel using hour-glass shaped smooth tubular specimen under biaxial loading in order to investigate the crack formation and growth at room temperature. Three types of loading system, i.e fully reserved cyclic torsion without a superimposed static tension or compression, fully reserved cyclic torsion with a superimposed static tension and fully reserved cyclic torsion with a superimposed static compression were employed. The test results show that a superimposed static tensile mean stress reduced fatigue lifetime. however a superimposed static compressive mean stress increased fatigue lifetime. Experimental results indicated that cracks were initiated on planes of maximum shear strain with either a superimposed mean stresses or not. A biaxial mean stress had an effect on the direction which cracks nucleated and propagated at stage I (mode II).
Among welded structure bogies in use for high speed freight car, a part of bogies manufactured in 1999 and 2000 have found problems that crack occurs in its end beam. In case of a freight car the difference of weight between empty and loading conditions are worse than in case of a passenger car. Moreover its brake system is tread brake without second suspension system. Cracks of end beam is supposed to be due to loading by brake system rather than vertical loading by freight. These cracks can make brake system useless and may be a cause of derailment in the worst case. In this study, we have proposed a simple torsion-free brake shoe holder hanger to remove torsion of hanger bracket which was supposed to be one of causes of cracks and performed finite element analyses. Also static load test was applied in torsion free brake shoe holder.
Among welded structure bogies in use for high speed freight car, a part of bogies manufactured in 1999 and 2000 have found problems that failure occurs in its end beam. In case of a freight car a difference of weight between empty and loading conditions are worse than in case of a passenger car. Moreover its brake system is tread brake without second suspension system. A failure of end beam is supposed to be due to loading by brake rather than vertical loading by freight. This failure can make brake system useless and may be a cause of derailment in the worst case. In this study, we have proposed a simple torsion-free brake shoe holder hanger to remove torsion of hanger bracket which is supposed to be one of causes of failure and performed finite element analyses for making trial manufactures and its application.
Fracture responses of Al2O3 tubes were investigated for various loading paths under combined tension/torsion. The fracture criterion did not depend on loading paths. Fracture angles agreed well with the maximum tensile stress criterion. As the loading condition approaches a shear dominant state, the tensile principal stress at fracture increases compared to the uniaxial fracture strength. By using the Weibull modulus obtained from tension and torsion tests, the Weibull statistical fracture strengths were compared with experimental data. This comparison suggests that fracture may occur at the surface of the specimen when tensile stress is dominant, but within the volume of the specimen when shear stress is dominant. The Weibull fracture strength increased as the loading conition approached a shear dominant state, but underestimated compared to experimental data. Finally, a new fracture criterion was proposed by including the effect of compressive principal stress. The proposed criterion agreed well with experimental data of Al2O3 tubes not only at combined tension/torsion but also at balanced biaxial tension.
The addition of steel fibers in concrete mixture is recognized as a non-conventional mass reinforcement scheme that improves the torsional, flexural, and shear behavior of structural members. However, the analysis of fiber reinforced concrete beams under combined torsion, bending, and shear is limited because of the complicated nature of the problem. Therefore, nonlinear 3D finite element analysis was conducted using the "ANSYS CivilFEM" program to investigate the behavior of fiber reinforced concrete L-beams. These beams were tested at different reinforcement schemes and loading conditions. The reinforcement case parameters were set as follows: reinforced with longitudinal reinforcement only and reinforced with steel bars and stirrups. All beams were tested under two different combined loading conditions, namely, torsion-to-shear ratio (T/V) = 545 mm (high eccentricity) and T/V = 145 mm (low eccentricity). Eight intermediate L-beams were constructed and tested in a laboratory under combined torsion, bending, and shear to validate the finite element model. Comparisons with the experimental data reveal that the program can accurately predict the behavior of L-beams under different reinforcement cases and combined loading ratios. The ANSYS model accurately predicted the loads and deformations for various types of reinforcements in L-beams and captured the concrete strains of these beams.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.7
s.250
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pp.809-815
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2006
The temperature and loading-rate dependence on the mechanical behavior of single-walled carbon nanotubes under axial compression and torsion is examined with classical molecular dynamics simulation. The critical buckling is found to depend on the temperature and loading-rate. The yielding under torsion is also found to depend on the temperature and loading-rate. But it is shown that the compression and torsional stiffness are independent of the varied temperatures and loading-rates.
Fracture of Al2O3 tubes for different loading path under combined tension/torsion was investigated. Macroscopic directions of crack propagation agreed well with the maximum principal stress criterion, independent of the loading path. However, fracture strength from the proportional loading test(τ/σ= constant) showed either strengthening or weakening compared to that from uniaxial tension, depending on the ratio τ/σ. The Weibull theory was capable to predict the strengthening of fracture strength in pure torsion, but not the weakening in the proportional loading condition. The strengthening or weakening of fracture strength in the proportional loading condition was explained by the effect of shear stresses in the plane of randomly oriented microdefects. Finally, a new empirical fracture criterion was proposed. This criterion is based on a mixed mode fracture criterion and experimental data for fracture of Al2O3 tubes under combined tension/torsion. The proposed fracture criterion agreed well with experimental data for both macroscopic directions of crack propagation and fracture strengths.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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