For performance-based design using nonlinear static analysis, it is required to predict the inelastic behavior of structural members accurately. In the present study, a nonlinear numerical analysis was peformed to develop the method describing the moment-curvature relationship of structural wall with boundary confinement. Through the numerical analysis, variations of behavioral characteristics and failure mechanism with the arrangement of vertical reinforcement and the length of boundary confinement were studied. According to the analysis, the maximum moment-carrying capacity of structural walls with adequately confined boundary elements is developed at the moment the unconfined concrete reaches the ultimate compressive strain. Walls with flexural re-bars concentrated on the boundaries fails in a brittle manner. As vortical re-bars in the web increases, the brittle failure is prevented and a ductile failure occurs. Based on the findings, moment-curvature curves for walls with a variety of re-bar arrangement were developed. According to the proposed relationships, deformability of the structural walls wth boundary confinement increases as the compressive strength of the confined concrete increases compared to the applied compressive force.
Rahimipour, Arash;Hejazi, Farzad;Vaghei, Ramin;Jaafar, Mohd Saleh
Computers and Concrete
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v.18
no.6
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pp.1083-1096
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2016
Beam-column joints are recognized as the weak points of reinforcement concrete frames. The ductility of reinforced concrete (RC) frames during severe earthquakes can be measured through the dissipation of large energy in beam-column joint. Retrofitting and rehabilitating structures through proper methods, such as carbon fiber reinforced polymer (CFRP), are required to prevent casualties that result from the collapse of earthquake-damaged structures. The main challenge of this issue is identifying the effect of CFRP on the occurrence of failure in the joint of a cross section with normal ductility. The present study evaluates the retrofitting method for a normal ductile beam-column joint using CFRP under monotonic and cyclic loads. Thus, the finite element model of a cross section with normal ductility and made of RC is developed, and CFRP is used to retrofit the joints. This study considers three beam-column joints: one with partial CFRP wrapping, one with full CFRP wrapping, and one with normal ductility. The two cases with partial and full CFRP wrapping in the beam-column joints are used to determine the effect of retrofitting with CFRP wrapping sheets on the behavior of the beam-column joint confined by such sheets. All the models are subjected to monotonic and cyclic loading. The final capacity and hysteretic results of the dynamic analysis are investigated. A comparison of the dissipation energy graphs of the three connections shows significant enhancement in the models with partial and full CFRP wrapping. An analysis of the load-displacement curves indicates that the stiffness of the specimens is enhanced by CFRP sheets. However, the models with both partial and full CFRP wrapping exhibited no considerable improvement in terms of energy dissipation and stiffness.
Oehlers, Deric John;Hasketta, Matthew;Mohamed Ali, M.S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.38
no.6
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pp.697-714
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2011
Assessing the ductility of reinforced concrete sections and members has been a complex and intractable problem for many years. Given the complexity in estimating ductility, members are often designed specifically for strength whilst ductility is provided implicitly through the use of ductile steel reinforcing bars and by ensuring that concrete crushing provides the ultimate limit state. As such, the empirical hinge length and neutral axis depth approaches have been sufficient to estimate ductility and moment redistribution within the bounds of the test regimes from which they were derived. However, being empirical, these methods do not have a sound structural mechanics background and consequently have severe limitations when brittle materials are used and when concrete crushing may not occur. Structural mechanics based approaches to estimating rotational capacities and rotation requirements for given amounts of moment redistribution have shown that FRP plated reinforced concrete (RC) sections can have significant moment redistribution capacities. In this paper, the concept of moment redistribution in beams is explained and it is shown specifically how an existing RC member can be retrofitted with FRP plates for both strength and ductility requirements. Furthermore, it is also shown how ductility through moment redistribution can be used to maximise the increase in strength of a member. The concept of primary and secondary hinges is also introduced and it is shown how the response of the non-hinge region influences the redistribution capacity of the primary hinges, and that for maximum moment redistribution to occur the non-hinge region needs to remain elastic.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.3
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pp.303-309
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2005
Numerical analysis is carried out to identify the appropriateness of the design codes that is available for the tensile design of fastening system at Nuclear Power Plant (NPP) in this study. This study is intended for the cast-in-place anchor that is widely used for the fastening of equipment in Korean NPPs. The microplane model and the elastic-perfectly plastic model are employed for the quasi-brittle material like concrete and for the ductile material like anchor bolt as constitutive model for numerical analysis and smeared crack model is employed to simulate the clack and damage phenomena. The developed numerical model is verified on a basis of the various test data of cast-in-place anchor. The appropriateness of both ACI 349 Code and CEB-FIP Code is evaluated for the tensile design of cast-in-place anchor and it is proved that both design codes give a conservative results for real tensile capacity of cast-in-place anchor.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.5
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pp.429-437
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2008
In this study the progressive collapse potential of braced frames were investigated using the nonlinear static and dynamic analyses. All of nine different brace types were considered along with a special moment-resisting frame for comparison. According to the pushdown analysis results, most braced frames designed per current design codes satisfied the design guidelines for progressive collapse initiated by loss of a first story mid-column; however most model structures showed brittle failure mode. This was caused by buckling of columns after compressive braces buckled. Among the braced frames considered, the inverted- V type braced frames showed superior ductile behavior during progressive collapse. The nonlinear dynamic analysis results showed that all the braced frame model structures remained in stable condition after sudden removal of a column, and their deflections were less than that of the moment-resisting frame.
A building structural system of moment resisting frame (MRF) with concrete filled steel tubular (CFST) columns and wide flange H beams, is one of the most conveniently constructed structural systems. However, there were few studies on evaluating seismic performance of full-scale CFST columns under high axial compression. In addition, some existing famous design codes propose various limits of width-to-thickness ratio (B/t) for steel tubes of the ductile CFST composite members. This study was intended to investigate the seismic behavior of CFST columns under high axial load compression. Four full-scale square CFST column specimens with a B/t of 42 were carried out that were subjected to horizontal cyclic-reversal loads combined with constantly light, medium and high axial loads and with a linearly varied axial load, respectively. Test results revealed that shear strength and deformation capacity of the columns significantly decreased when the axial compression exceeded 0.35 times the nominal compression strength of a CFST column, P0. It was obvious that the higher the axial compression, the lower both the shear strength and deformation capacities were, and the earlier and faster the shear strength degradation occurred. It was found as well that higher axial compressions resulted in larger initial lateral stiffness and faster degradation of post-yield lateral stiffness. Meanwhile, the lower axial compressions led to better energy dissipation capacities with larger cumulative energy. Moreover, the study implied that under axial compressions greater than 0.35P0, the CFST column specimens with B/t limits recommended by AISC 360 (2016), ACI 318 (2014), AIJ (2008) and EC4 (2004) codes do not provide ultimate interstory drift ratio of more than 3% radian, and only the limit in ACI 318 (2014) code satisfies this requirement when axial compression does not exceed 0.35P0.
Building on/with expansive soils with no treatment brings complications. Compacted expansive soils specifically fall short in satisfying the minimum requirements for transport embankment infrastructures, requiring the adoption of hauled virgin mineral aggregates or a sustainable alternative. Use of hauled aggregates comes at a high carbon and economical cost. On average, every 9m high embankment built with quarried/hauled soils cost $12600MJ.m^{-2}$ Embodied Energy (EE). A prospect of using mixed cutting-arising expansive soils with industrial/domestic wastes can reduce the carbon cost and ease the pressure on landfills. The widespread use of recycled materials has been extensively limited due to concerns over their long-term performance, generally low shear strength and stiffness. In this contribution, hydromechanical properties of a waste tyre sand-sized rubber (a mixture of polybutadiene, polyisoprene, elastomers, and styrene-butadiene) and expansive silt is studied, allowing the short- and long-term behaviour of optimum compacted composites to be better established. The inclusion of tyre shred substantially decreased the swelling potential/pressure and modestly lowered the compression index. Silt-Tyre powder replacement lowered the bulk density, allowing construction of lighter reinforced earth structures. The shear strength and stiffness decreased on addition of tyre powder, yet the contribution of matric suction to the shear strength remained constant for tyre shred contents up to 20%. Reinforced soils adopted a ductile post-peak plastic behaviour with enhanced failure strain, offering the opportunity to build more flexible subgrades as recommended for expansive soils. Residual water content and tyre shred content are directly correlated; tyre-reinforced silt showed a greater capacity of water storage (than natural silts) and hence a sustainable solution to waterlogging and surficial flooding particularly in urban settings. Crushed fine tyre shred mixed with expansive silts/sands at 15 to 20 wt% appear to offer the maximum reduction in swelling-shrinking properties at minimum cracking, strength loss and enhanced compressibility expenses.
Llanes-Tizoc, Mario D.;Reyes-Salazar, Alfredo;Ruiz, Sonia E.;Bojorquez, Eden;Bojorquez, Juan;Leal Graciano, Jesus M.
Earthquakes and Structures
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v.16
no.4
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pp.469-485
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2019
A numerical investigation regarding local (${\mu}_L$) and story (${\mu}_S$) ductility demand evaluation of steel buildings with perimeter moment resisting frames (PMRF) and interior gravity frames (IGF), is conducted in this study. The interior connections are modeled, firstly as perfectly pinned (PP), and then as semi-rigid (SR). Three models used in the SAC steel project, representing steel buildings of low-, mid-, and high-rise, are considered. The story ductility reduction factor ($R_{{\mu}S}$) as well as the ratio ($Q_{GL}$) of $R_{{\mu}S}$ to ${\mu}_L$ are calculated. ${\mu}_L$ and ${\mu}_S$, and consequently structural damage, at the PMRF are significant reduced when the usually neglected effect of SR connections is considered; average reductions larger than 40% are observed implying that the behavior of the models with SR connections is superior and that the ductility detailing of the PMRF doesn't need to be so stringent when SR connections are considered. $R_{{\mu}S}$ is approximately constant through height for low-rise buildings, but for the others it tends to increase with the story number contradicting the same proportion reduction assumed in the Equivalent Static Lateral Method (ESLM). It is implicitly assumed in IBC Code that the overall ductility reduction factor for ductile moment resisting frames is about 4; the results of this study show that this value is non-conservative for low-rise buildings but conservative for mid- and high-rise buildings implying that the ESLM fails evaluating the inelastic interstory demands. If local ductility capacity is stated as the basis for design, a value of 0.4 for $Q_{GL}$ seems to be reasonable for low- and medium-rise buildings.
Concentrically braced frames (CBFs) possess high stiffness and strength against lateral loads; however, they suffer from low energy absorption capacity against seismic loads due to the susceptibility of CBF diagonal elements to bucking under compression loading. To address this problem, in this study, an innovative damper was proposed and investigated experimentally and numerically. The proposed damper comprises main plates and includes a flange plate angled at θ and a trapezius-shaped web plate surrounded by the plate at the top and bottom sections. To investigate the damper behaviour, dampers with θ = 0°, 30°, 45°, 60°, and 90° were evaluated with different flange plate thicknesses of 10, 15, 20, 25 and 30 mm. Dampers with θ = 0° and 90° create rectangular-shaped and I-shaped shear links, respectively. The results indicate that the damper with θ = 30° exhibits better performance in terms of ultimate strength, stiffness, overstrength, and distribution stress over the damper as compared to dampers with other angles. The hysteresis curves of the dampers confirm that the proposed damper acts as a ductile fuse. Furthermore, the web and flange plates contribute to the shear resistance, with the flange carrying approximately 80% and 10% of the shear force for dampers with θ = 30° and 90°, respectively. Moreover, dampers that have a larger flange-plate shear strength than the shear strength of the web exhibit behaviours in linear and nonlinear zones. In addition, the over-strength obtained for the damper was greater than 1.5 (proposed by AISC for shear links). Relevant relationships are determined to predict and design the damper and the elements outside it.
Khan, Fasih A.;Khan, Sajjad W.;Shahzada, Khan;Ahmad, Naveed;Rizwan, Muhammad;Fahim, Muhammad;Rashid, Muhammad
Earthquakes and Structures
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v.23
no.1
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pp.23-34
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2022
This paper presents experimental studies on reinforced concrete moment resisting frames that have engineered cementitious composite (ECC) in plastic hinge length (PHL) of beam/column members and beam-column joints. A two-story frame structure reduced by a 1:3 scale was further tested through a shake-table (seismic simulator) using multiple levels of simulated earthquake motions. One model conformed to all the ACI-318 requirements for IMRF, whereas the second model used lower-strength concrete in the beam/column members outside PHL. The acceleration time history of the 1994 Northridge earthquake was selected and scaled to multiple levels for shake-table testing. This study reports the observed damage mechanism, lateral strength-displacement capacity curve, and the computed response parameters for each model. The tests verified that nonlinearity remained confined to beam/column ends, i.e., member joint interface. Calculated response modification factors were 11.6 and 9.6 for the code-conforming and concrete strength deficient models. Results show that the RC-ECC frame's performance in design-based and maximum considered earthquakes; without exceeding maximum permissible drift under design-base earthquake motions and not triggering any unstable mode of damage/failure under maximum considered earthquakes. This research also indicates that the introduction of ECC in PHL of the beam/column members' detailing may be relaxed for the IMRF structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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