In seismic analysis of moment-resisting frames, beam-column connections are often modeled with rigid joint zones. However, it has been demonstrated that, in ductile reinforced concrete (RC) moment-resisting frames designed based on current codes (to say nothing of older non-ductile frames), the joint zones are in fact not rigid, but rather undergo significant shear deformations that contribute greatly to global drift. Therefore, the "rigid joint" assumption may result in misinterpretation of the global performance characteristics of frames and could consequently lead to miscalculation of strength and ductility demands on constituent frame members. The primary objective of this paper is to propose a rational method for estimating the hysteretic joint shear behavior of RC connections and for incorporating this behavior into frame analysis. The authors tested four RC edge beam-column-slab connection subassemblies subjected to earthquake-type lateral loading; hysteretic joint shear behavior is investigated based on these tests and other laboratory tests reported in the literature. An analytical scheme employing the modified compression field theory (MCFT) is developed to approximate joint shear stress vs. joint shear strain response. A connection model capable of explicitly considering hysteretic joint shear behavior is then formulated for nonlinear structural analysis. In the model, a joint is represented by rigid elements located along the joint edges and nonlinear rotational springs embedded in one of the four hinges linking adjacent rigid elements. The connection model is able to well represent the experimental hysteretic joint shear behavior and overall load-displacement response of connection subassemblies.
Based on Hamilton's principle, the flexural vibration differential equations and boundary conditions of the steel-concrete composite beam (SCCB) with comprehensive consideration of the influences of the shear deformation, interface slip and longitudinal inertia of motion were derived. The analytical natural frequencies of flexural vibration were compared with available results previously observed by the experiments, the results calculated by the FE model and the other similar beam theories available in the open literatures. The comparison results showed that, the calculation results of the analytical and Timoshenko models had a good agreement with the results of the experimental test and FE model. Finally, the influences of shear deformation and interface slip on the flexural natural frequencies of the SCCB were discussed. The shear deformation effect increases with the increase of the mode orders of flexural natural vibration, and the flexural natural frequencies of the higher mode orders ignoring the influence of shear deformations effect would be overestimated. The interface slip effect decrease with the increase of the mode orders of flexural natural vibration, and the influence of the interface slip effect on flexural natural frequencies of the low mode orders is significant. The influence of the degree of shear connection on shear deformation effect is insignificant, and the low order modes of flexural natural vibration are mainly composed of the rotational displacement of cross sections.
In a composite beam, a shear connector is installed to resist the horizontal shear on an interface between steel beams and reinforced concrete slabs. The steel-wire-integrated deck plate slab is commonly used at the wide section beam. Then vertical bars are installed at the upper wire of the ends of the steel truss girder to ensure safety during the construction. The new type of shear connector is made of deformed bar and steel plates, and must function as vertical bars but must have higher shear capacity. This paper examines the ways to develop and utilize this new shear connector. From the push-out experiments, a shear connector made of a continuous deformed bar and steel plate showed a higher shear capacity and ductility than a ${\phi}16$ stud connector, and functioned as a vertical bar.
Despite considerable life casualty and financial loss resulting from past earthquakes, many existing steel buildings are still seismically vulnerable as they have no lateral resistance or at least need some sort of retrofitting. Passive control methods with decreasing seismic demand and increasing ductility reduce rate of vulnerability of structures against earthquakes. One of the most effective and practical passive control methods is to use a shear panel system working as a ductile fuse in the structure. The shear Panel System, SPS, is located vertically between apex of two chevron braces and the flange of the floor beam. Seismic energy is highly dissipated through shear yielding of shear panel web while other elements of the structure remain almost elastic. In this paper, lateral behavior and related benefits of this system with narrow-flange link beams is experimentally investigated in chevron braced simple steel frames. For this purpose, five specimens with IPE (narrow-flange I section) shear panels were examined. All of the specimens showed high ductility and dissipated almost all input energy imposed to the structure. For example, maximum SPS shear distortion of 0.128-0.156 rad, overall ductility of 5.3-7.2, response modification factor of 7.1-11.2, and finally maximum equivalent viscous damping ratio of 35.5-40.2% in the last loading cycle corresponding to an average damping ratio of 26.7-30.6% were obtained. It was also shown that the beam, columns and braces remained elastic as expected. Considering this fact, by just changing the probably damaged shear panel pieces after earthquake, the structure can still be continuously used as another benefit of this proposed retrofitting system without the need to change the floor beam.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1999.10a
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pp.419-422
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1999
This study was intended to investigate the cyclic behavior of high strength concrete beam-column connection. Four assemblies were designed 2/3 scale beam-column-slab joint and tested. The obtained results are follows. 1) The transverse beams increase the shear resistance and ductility of joint, 2) The slab was contributed to increase of the flexural capacity of the beam, but was not contributed to increase the joint ductility under lateral loads.
In the previous analytical studies on 2D reinforced concrete (RC) beam-column joints, the modified compression field theory (MCFT) and the strut-and-tie method (STM) are usually employed. In this paper, the limitations of these analytical models for RC joint applications are reviewed. Essentially for predictions of RC joint shear behaviour, the MCFT is not applicable, while the STM can only predict the ultimate shear strength. To eliminate these limitations, an improved STM is derived and applied to some commonly encountered 2D joints, viz., interior and exterior joints, subjected to monotonic loading. Compared with the other STMs, the most attracting novelty of the proposed improved STM is that all critical stages of the shear stress-strain relationships for RC joints can be predicted, which cover the stages characterized by concrete cracking, transverse reinforcement yielding and concrete strut crushing. For validation and demonstration of superiority, the shear stress-strain relationships of interior and exterior RC beam-column joints from published experimental studies are employed and compared with the predictions by the proposed improved STM and other widely-used analytical models, such as the MCFT and STM.
This paper assesses efficiency of the continuum method as the idealized system of building structures. A modified Coupled Two-Beam (CTB) model equipped with classical and non-classical damping has been proposed and solved analytically. In this system, complementary (non-classical) damping models composed of bending and shear mechanisms have been defined. A spatial shear damping model which is non-homogeneously distributed has been adopted in the CTB formulation and used to equivalently model passive dampers, viscous and viscoelastic devices, embedded in building systems. The application of continuum-based models for the dynamic analysis of shear wall systems has been further discussed. A reference example has been numerically analyzed to evaluate the efficiency of the presented CTB, and the optimization problems of the shear damping have been finally ascertained using local and global performance indices. The results reveal the superior performance of non-classical damping models against the classical damping. They show that the critical position of the first modal rotation in the CTB is reliable as the optimum placement of the shear damping. The results also prove the good efficiency of such a continuum model, in addition to its simplicity, for the fast estimation of dynamic responses and damping optimization issues in building systems.
Daouadji, Tahar Hassaine;Hadji, Lazreg;Meziane, Mohamed Ait Amar;Bekki, Hadj
Structural Engineering and Mechanics
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v.59
no.1
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pp.83-100
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2016
In this paper, the problem of interfacial stresses in steel beams strengthened with a fiber reinforced polymer plates is analyzed using linear elastic theory. The analysis is based on the deformation compatibility approach developed by Tounsi (2006) where both the shear and normal stresses are assumed to be invariant across the adhesive layer thickness. The analysis provides efficient calculations for both shear and normal interfacial stresses in steel beams strengthened with composite plates, and accounts for various effects of Poisson's ratio and Young's modulus of adhesive. Such interfacial stresses play a fundamental role in the mechanics of plated beams, because they can produce a sudden and premature failure. The analysis is based on equilibrium and deformations compatibility approach developed by Tounsi (2006). In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both the steel beam and bonded plate. The paper is concluded with a summary and recommendations for the design of the strengthened beam.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.11
no.4
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pp.62-70
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2007
This paper reports an evaluation method on the shear strength of interior beam-column joints composed of steel beams and reinforced concrete columns(RCS). The shear strength is generally calculated by the sum of the nominal shear resistance of a steel web panel and concrete elements. In this paper, the shear strength is calculated based on the compression strut theory instead of compression field theory. Design equations presented herein are evaluated through comparison with existing experimental results. The comparisons between experimental and calculated results show an excellent agreement.
As a lateral load resisting component, buckling restrained steel plate shear walls (BRW) have excellent energy dissipating capacity. Similar to thin steel plate shear walls, the mechanical behavior of BRWs depends on the boundary elements (adjacent beams and columns) which need adequate strength and stiffness to ensure the complete yielding of BRWs and the emergence of expected plastic collapse mechanism of frame. This paper presents a theoretical approach to estimate the design forces for boundary elements of beam-connected BRW (i.e., The BRW is only connected to beams at its top and bottom, without connections to columns) using a fundamental plastic collapse mechanism of frame, a force transferring model of beam-connected BRW and linear beam and column analysis. Furthermore, the design method of boundary beams and columns is presented. The proposed approach does not involve nonlinear analyses, which can be easily and efficiently used to estimate the design forces of beams and columns in a frame with BRWs. The predicted design forces of boundary elements are compared with those from nonlinear finite element analyses, and a good agreement is achieved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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