In the design of concrete columns, it is important to provide some nominal flexural ductility even for structures not subjected to earthquake attack. Currently, the nominal flexural ductility is provided by imposing empirical deemed-to-satisfy rules, which limit the minimum size and maximum spacing of the confining reinforcement. However, these existing empirical rules have the major shortcoming that the actual level of flexural ductility provided is not consistent, being generally lower at higher concrete strength or higher axial load level. Hence, for high-strength concrete columns subjected to high axial loads, these existing rules are unsafe. Herein, the combined effects of concrete strength, axial load level, confining pressure and longitudinal steel ratio on the flexural ductility are evaluated using nonlinear moment-curvature analysis. Based on the numerical results, a new design method that provides a consistent level of nominal flexural ductility by imposing an upper limit to the axial load level or a lower limit to the confining pressure is developed. Lastly, two formulas and one design chart for direct evaluation of the maximum axial load level and minimum confining pressure are produced.
Yeon-Back Jung;Ju-Hyun Mun;Keun-Hyeok Yang;Chae-Rim Im
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.2
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pp.169-178
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2023
Lightweight aggregate concrete (LWAC) has various advantages, but it has limitations in ensuring sufficient ductility as structural members such as reinforced concrete (RC) columns due to its low confinement effect of core concrete. In particular, the confinement effect significantly decreases as the axial load increases, but studies on evaluating the ductility of RC columns at high axial loads are very limited. Therefore, this study examined the effects of concrete unit weight on the seismic performance of RC columns subjected to constant axial loads applied with different values for each specimen. The column specimens were classified into all-lightweight aggregate concrete (ALWAC), sand-lightweight aggregate concrete (SLWAC), and normal-weight concrete (NWC). The amount of transverse reinforcement was specified for all the columns to satisfy twice the minimum amount specified in the ACI 318-19 provision. Test results showed that the normalized moment capacity of the columns decreased slightly with the concrete unit weight, whereas the moment capacity of LWAC columns could be conservatively estimated based on the procedure stipulated in ACI 318-19 using an equivalent rectangular stress block. Additionally, by applying the section lamina method, the axial load level corresponding to the balanced failure decreased with the concrete unit weight. The ductility of the columns also decreased with the concrete unit weight, indicating a higher level of decline under a higher axial load level. Thus, the LWAC columns required more transverse reinforcement than their counterpart NWC columns to achieve the same ductility level. Ultimately, in order to achieve high ductility in LWAC columns subjected to an axial load of 0.5, it is recommended to design the transverse reinforcement with twice the minimum amount specified in the ACI 318-19 provision.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.09a
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pp.423-430
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2001
This research was conducted to investigate the seismic behavior and ductility of circular spiral reinforcement concrete bridge columns used in high strength concrete. The experimental variables consisted of transverse steel amount and spacing, different axial load levels. From the test results, sufficient displacement ductility(at least 5.5) was observed for the columus which was satisfied wi th the requirement confinement steel amount of the Korean Bridge Design Specification. In case of the columns with 50 MPa of concrete compressive strength, the columns wi th 80 % of the confinement steel amount requirement showed adequate displacement ductility(at least 6.5) under 0.2 of axial load level. And in case of the columns with 60.2 77a of concrete compressive strength, the columns with 44 \ulcorner of the confinement steel requirement provided adequate displacement ductilit under less than 0.1 of axial load level and the columns with 0.22 % provided showed comparatively high the ducti1iffy under 0.21 of axial load level.
Halahla, Abdulsamee M.;Tahnat, Yazan B. Abu;Dwaikat, Monther B.
Earthquakes and Structures
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v.22
no.3
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pp.231-243
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2022
Beam-column joints (BCJs) are recognized among the most crucial zones in reinforced concrete structures, as they are the critical elements subjected to a complex state of forces during a severe earthquake. Under such conditions, BCJs exhibit behaviors with impacts that extend to the whole structure and significantly influence its ductility and capability of dissipating energy. The focus of this paper is to investigate the effect of undamaged transverse beam (secondary beams) on the ductility of concrete BCJs reinforced with conventional steel and shape memory alloys bars using pushover analysis at tip of beam under different axial load levels at the column using a nonlinear finite element model in ABAQUS environment. A numerical model of a BCJ was constructed and the analysis outcomes were verified by comparing them to those obtained from previous experiments found in the literature. The comparison evidenced the capability of the calibrated model to predict the load capacity response of the joint. Results proved the ability of undamaged secondary beams to provide a noticeable improvement to the ductility of reinforced concrete joints, with a very negligible loss in load capacity. However, the effect of secondary beams can become less significant if the beams are damaged due to seismic effects. In addition, the axial load was found to significantly enhance the performance of BCJs, where the increase in axial load magnified the capacity of the joint. However, higher values of axial load resulted in greater initial stiffness of the BCJ.
Earthquake resistant R/C frame structures are generally designed to prevent the columns from plastic hinging. R/C columns under higher axial load or strong earthquake showed a brittle behavior due to the deterioration of strength and stiffness degradation. An experimental study was conducted to examine the behavior and to find the relationship between amounts of lateral reinforcements and compressive strength of ten R/C column specimens subjected to reversed cyclic lateral load and higher axial load. Test results are follows : An increase in the amount of lateral reinforcement results in a significant improvement in both ductility and energy dissipation capacities of columns. R/C columns with sub-tie provide the improved ductility capacity than those with closely spaced lateral reinforcement only. While the load resisting capacity of the high strength R/C columns is higher than the normal strength concrete columns under both an identical ratio of lateral reinforcement, however the ductility capacity of high strength R/C columns is decreased considerably. Therefore, the amounts of lateral reinforcement must be designed carefully to secure the sufficient ductility and economic design of HSC columns under higher axial load.
Hwang, Sun Kyoung;Lim, Byung Hoon;Kim, Chang Gyo;Yun, Hyun Do;Park, Wan Shin
Architectural research
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v.7
no.1
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pp.39-48
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2005
Main objective of this research is to evaluate performance of high-strength concrete (HSC) columns for ductility and strength. Eight one-third scale columns with compressive strength of 69 MPa were subjected to a constant axial load corresponding to 30 % of the column axial load capacity and a cyclic horizontal load-inducing reversed bending moment. The variables studied in this research are the volumetric ratio of transverse reinforcement (${\rho}_s=1.58$, 2.25 %), tie configuration (Type H, Type C and Type D) and tie yield strength ($f_{yh}=549$ and 779 MPa). Test results show that the flexural strength of every column exceeds the calculated flexural capacity based on the equivalent concrete stress block used in the current design code. Columns with 42 % higher amounts of transverse reinforcement than that required by seismic provisions of ACI 318-02 showed ductile behaviour, showing a displacement ductility factor (${\mu}_{{\Delta}u}$) of 3.69 to 4.85, and a curvature ductility factor (${\mu}_{{\varphi}u}$) of over 10.0. With an axial load of 30 % of the axial load capacity, it is recommended that the yield strength of transverse reinforcement be held equal to or below 549 MPa.
A novel spiral confined angle-steel reinforced concrete (SCARC) column was developed in this study. A total of 16 specimens were prepared and tested (eight of them were tested under axial loading, the other eight were tested under eccentric loading). The failure processes and load-displacement relationships of specimens under axial and eccentric loads were examined, respectively. The load-carrying capacity and ductility were evaluated by parametric analysis. A calculation approach was developed to predict the axial and eccentric load-carrying capacity of these novel columns. Results showed that the spiral reinforcement provided enough confinement in SCARC columns under axial and low eccentric loads, but was not effective in that under high eccentric loads. The axial load-carrying capacity and ductility of SCARC columns were improved significantly due to the satisfactory confinement from spirals. The outer reinforcement and other construction measures were necessary for SCARC columns to prevent premature spalling of the concrete cover. The proposed calculation approach provided a reliable prediction of the load-carrying capacity of SCARC columns.
Current design code states that the strength reduction factor shall be permitted to be increased linearly from that for axial compression to that for flexure as the design axial load strength $\Phi$cPn decrease from 0.1fckAg to zero. Since this empirically adopted axial load level of $\Phi$cPn=0.1fckAg considers only sectional area and concrete strength, the other variables such as steel ratio, steel yielding strength, and steel arrangement can not be considered. This research is performed to investigate the consistency and the rationality of the code requirement for determination of column design strength. A nonlinear axial force-moment-curvature analysis was conducted in order to investigate the ductility of reinforced concrete column sections. As the result of ductility analysis, it was found that the ductility at the axial force of $\Phi$cPn=0.1fckAg represented a lock of consistency for the various variable contained sections. Therefore, a more reasonable application method of strength reduction factor is proposed, that is based on the strain ductility index.
Bae, Chan Young;Lee, Ji Hyeong;Kim, Sang Woo;Kim, Jin Sup
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.43
no.5
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pp.567-576
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2023
In general, RC beam members are designed as flexural members, considering only the bending load. However, in actual buildings, axial and bending load are simultaneously applied due to the continuity between members. As a result, the bending strength of the RC beam member increases, but the displacement decreases, and cracks are mainly concentrated in the center of the beam. Therefore, in this study, the bending performance of both normal and strengthened RC beam using carbon fiber sheets subjected to combined axial and bending load was experimentally evaluated. The carbon fiber sheets were wrapped around the middle of the specimens, and axial and bending load were applied simultaneously to the beams. The magnitude of the axial force and the effects of carbon fiber sheet reinforcement on the deformed shape, bending strength, deflection, and ductility of the RC beams were analyzed. The results show that as the applied axial force increased, the maximum bending strength increased, but the ductility decreased 64%. The bending strength of the strengthened beams increased up to 27%, the maximum deflection decreased around 8% and the ductility increased by up to 43%.
The flexural behaviour of symmetrically reinforced concrete (RC) columns cast of normal- and high-strength concrete under both monotonic and cyclic loading is studied based on an analytical procedure, which employs the actual stress-strain curves and takes into account the stress-path dependence of concrete and steel reinforcement. The analysis is particularly extended into the post-peak stage with large inelastic deformation at various applied axial load level. The effect of axial load on their complete flexural behaviour is then identified based on the results obtained. The axial load is found to have fairly large effect on the flexural behaviour of RC columns under both monotonic and cyclic loading. Such effects are discussed through examination of various aspects including the moment-curvature relationship, moment capacity, flexural ductility, variation of neutral axis depth and steel stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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