This paper proposes a novel frame element on Winkler-Pasternak foundation for analysis of a non-ductile reinforced concrete (RC) member resting on foundation. These structural members represent flexural-shear critical members, which are commonly found in existing buildings designed and constructed with the old seismic design standards (inadequately detailed transverse reinforcement). As a result, these structures always experience shear failure or flexure-shear failure under seismic loading. To predict the characteristics of these non-ductile structures, efficient numerical models are required. Therefore, the novel frame element on Winkler-Pasternak foundation with inclusion of the shear-flexure interaction effect is developed in this study. The proposed model is derived within the framework of a displacement-based formulation and fiber section model under Timoshenko beam theory. Uniaxial nonlinear material constitutive models are employed to represent the characteristics of non-ductile RC frame and the underlying foundation. The shear-flexure interaction effect is expressed within the shear constitutive model based on the UCSD shear-strength model as demonstrated in this paper. From several features of the presented model, the proposed model is simple but able to capture several salient characteristics of the non-ductile RC frame resting on foundation, such as failure behavior, soil-structure interaction, and shear-flexure interaction. This confirms through two numerical simulations.
Two full-scale, precast, pretensioned box girders were subjected to shear-dominated loading, one under monotonic loads to failure and the other subjected to one-half million cycles of fatigue loads followed by monotonic ultimate loads. The number of cycles was selected to allow for comparison with previous research. The fatigue loads were applied in combination with occasional overloads. In the present study, fatigue loading reduced the shear capacity by only six percent compared to the capacity under monotonic loading. However, previous research on flexure-dominated girders subjected to the same number of repeated loads showed that fatigue loading changed the mode of failure from flexure to shear/flexure and the girder capacity dropped by 14 percent. The comparison of the measured data with calculated shear capacity from five different theoretical methods showed that the ACI code method, the compression field theory, and the modified compression field theory led to reasonable estimates of the shear strength. The truss model led to an overly conservative estimate of the capacity.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.2
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pp.113-119
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2024
Existing reinforced concrete buildings with seismically deficient column details affect the overall behavior depending on the failure type of column. This study aims to develop and validate a machine learning-based prediction model for the column failure modes (shear, flexure-shear, and flexure failure modes). For this purpose, artificial neural network (ANN), K-nearest neighbor (KNN), decision tree (DT), and random forest (RF) models were used, considering previously collected experimental data. Using four machine learning methodologies, we developed a classification learning model that can predict the column failure modes in terms of the input variables using concrete compressive strength, steel yield strength, axial load ratio, height-to-dept aspect ratio, longitudinal reinforcement ratio, and transverse reinforcement ratio. The performance of each machine learning model was compared and verified by calculating accuracy, precision, recall, F1-Score, and ROC. Based on the performance measurements of the classification model, the RF model represents the highest average value of the classification model performance measurements among the considered learning methods, and it can conservatively predict the shear failure mode. Thus, the RF model can rapidly predict the column failure modes with simple column details.
Experiments were performed to explore the hysteretic performance of steel reinforced concrete (SRC) cross-shaped columns. Nine specimens were designed and tested under the combined action of compression, flexure, shear and torsion. Torsion-bending ratio (i.e., 0, 0.14, 0.21) and steel forms (i.e., Solid - web steel, T - shaped steel, Channel steel) were considered in the test. Both failure processes and modes were obtained during the whole loading procedure. Based on experimental data, seismic indexes, such as bearing capacity, ductility and energy dissipation were investigated in detail. Experimental results suggest that depending on the torsion-bending ratio, failure modes of SRC cross-shaped columns are bending failure, flexure-torsion failure and torsion-shear failure. Shear - displacement hysteretic loops are fuller than torque - twist angle hysteretic curves. SRC cross-shaped columns exhibit good ductility and deformation capacity. In the range of test parameters, the existence of torque does not reduce the shear force but it reduces the displacement and bending energy dissipation capacity. What is more, the bending energy dissipation capacity increases with the rising of displacement level, while the torsion energy dissipation capacity decreases.
The purpose of this study is to propose new hysteretic characteristics of medium- to low-rise RC structures controlled by both shear and flexure. Through previous study, the dual lateral force-resisting system composed of shear and flexural failure members has a new failure mechanism that cooperates to enhance the flexural capacity of the flexural failure member even after the failure of the shear member, and the existing theoretical equation significantly underestimates the ultimate strength. In this study, the residual lateral strength mechanism of the dual lateral force-resisting system was analyzed, and, as a result, an equation for estimating the residual flexural strength of each shear-failure member was proposed. The residual flexural strength of each shear-failure member was verified in comparison with the structural testing results obtained in previous study, and the proposed residual flexural strength equation for shear-failure members was tested for reliability using FEA, and its applicable range was also determined. In addition, restoring-force characteristics for evaluating the seismic performance of the dual lateral force-resisting system (nonlinear dynamic analysis), reflecting the proposed residual flexural strength equation, were proposed. Finally, the validity of the restoring-force characteristics of RC buildings equipped with the dual lateral force-resisting system proposed in the present study was verified by performing pseudo-dynamic testing and nonlinear dynamic analysis based on the proposed restoring-force characteristics. Based on this comparative analysis, the applicability of the proposed restoring-force characteristics was verified.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.2
s.48
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pp.1-10
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2006
Reinforced concrete bridge columns with relatively small aspect ratio show flexure-shear behavior, which is flexural behavior at initial and medium displacement stages and shear failure at final stage. Since the columns with flexure-shear failure have lower ductility than those with flexural failure, shear capacity curve models shall be applied as well as flexural capacity curve in order to determine ultimate displacement for seismic design or performance evaluation. In this paper, a modified shear capacity curve model is proposed and compared with the other models such as the CALTRANS model, Aschheim et al.'s model, and Priestley et al.'s model. Four shear capacity curve models are applied to the 4 full scale circular bridge column test results and the accuracy of each model is discussed. It may not be fully adequate to drive a final decision from the application to the limited number of test results, however the proposed model provides the better prediction of failure mode and ultimate displacement than the other models for the selected column test results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.25
no.5
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pp.191-199
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2021
In seismic design, hollow section concrete columns offer advantages by reducing the weight and seismic mass compared to concrete section RC bridge columns. However, the flexure-shear behavior and spirals strain of hollow section concrete columns are not well-understood. Octagonal RC bridge columns of a small-scale model were tested under cyclic lateral load with constant axial load. The volumetric ratio of the transverse spiral hoop of all specimens is 0.00206. The test results showed that the structural performance of the hollow specimen, such as the initial crack pattern, initial stiffness, and diagonal crack pattern, was comparable to that of the solid specimen. However, the lateral strength and ultimate displacement of the hollow specimen noticeably decreased after the drift ratio of 3%. The columns showed flexure-shear failure at the final stage. Analytical and experimental investigations are presented in this study to understand a correlation confinement steel ratio with neutral axis and a correlation between the strain of spirals and the shear resistance capacity of steel in hollow and solid section concrete columns. Furthermore, shear strength components (Vc, Vs·, Vp) and concrete stress were investigated.
This paper investigates the probability of failure of reinforced concrete beams for limit state of collapse for flexure and shear. The influence of randomness of the variables on the failure probability is also examined. The Indian standard code for plain and reinforced concrete IS456:2000 is used for the design of beams. Probabilistic models are developed for flexure and shear according to IS456:2000. The loads considered acting on the beam are live load and dead load only. Random variables associated with the limit state equation such as grade of concrete, grade of steel, live load and dead load are identified. Probability of failure is evaluated based on the limit state equation using First Order Reliability Method (FORM). Importance of the random variables on the limit state equations are observed and the variables are accordingly reduced. The effect of the reduced parameters is checked on the probability of failure. The results show the role of each parameter on the design of beam. Thus, the Indian standard guidelines for plain and reinforced concrete IS456:2000 is investigated with the probabilistic and risk-based analysis and design for a simple beam. The results obtained are also compared with the literature and accordingly some suggestions are made.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.39
no.1
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pp.54-63
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1997
The purpose of this study is to analyse deformation properties by carrying out of flexure experimentations after fabricating polymer concrete sandwich panels which are composed of the polymer concrete in facing and expanded polystyren in cores, and to provide the basic data necessary to design, fabricate and operate the structure using these polymer concrete sandwich panels The analysed result of this study is summarized as follows. 1. The result of experiment on flexural deflection indicated that the thicker the thickness of both cores and facing of the polymer concrete sandwich panels, the smaller the deflection but the larger the ultimate shear force. In addition, it was also shown that the thicker the thickness of these cores and facing, the smaller the increasing rate of the deflection with the increase of load. 2. The breaking shape of polymer concrete sandwich panels by experiment on flexure was different according to the thickness of facing. When the facing was 5mm in thickness, it was the flexure while it was the flexure and shear failure when the facing was 5mm in thickness. As a result, it seems that the thickness of the facing has a great effect on failure. 3. There were induced not only the related formula between load, deflection and deformation according to the thickness of cores and facing on the basis of the flexure experiment, but also formula between load, horizontal displacement, Then, it seems that it will be possible to estimate the above elements by using these related formulas.
Lee Jae-Hoon;Ko Seong-Hyun;Lee Dae-Hyoung;Chung Young-Soo
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.16
no.6
s.84
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pp.823-832
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2004
The purpose of this research is to investigate the flexure-shear behavior of bridge columns under seismic loads. Four full scale circular reinforced concrete columns were tested under cyclic lateral load with constant axial load. The selected test variables are aspect ratio(1.825, 2.5, 4.0), transverse steel configuration, and longitudinal steel ratio. Volumetric ratio of transverse hoop of all the columns is 0.0023 in the plastic hinge region. It corresponds to $24\%$ of the minimum requirement of confining steel by Korean Bridge Design Specifications, which represent existing columns not designed by the current seismic design specifications or designed by limited ductility concept. The columns showed flexural failure or flexure-shear failure depending on the test variables. Failure behavior and seismic performance are investigated and discussed in this paper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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