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.
The speed ratio-torque load-axial force characteristics of a rubber V-belt (RVB) and a metal V-belt (MVB) CVT are investigated and their performances are compared. It is found that power is transmitted by tension difference in RVB, and by thrust difference in MVB. The nondimensional equations for speed ratio-torque load-axial force of RVB are exactly same as those of MVB. However, actual characteristics of axial forces of RVB and MVB are different depending on their power transmission methods. The torque capacity of MVB is 5-6 times higher than that of RVB due to MVB's higher strength, even if the required axial force of MVB CVT control is 3-4 times higher than that of RVB.
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.
This experimental investigation was conducted to examine the behavior and response of high-strength material (HSM) reinforced concrete (RC) columns under combined high-axial and cyclic-increasing lateral loads. All the columns use high-strength concrete ($f_c{^{\prime}}$=100MPa) and high-yield strength steel ($f_y$=685MPa and $f_y$=785MPa) for both longitudinal and transverse reinforcements. A total of four full-scale HSM columns with amount of transverse reinforcement equal to 100% more than that required by earthquake resistant design provisions of ACI-318 were tested. The key differences among those four columns are the spacing and configuration of transverse reinforcements. Two different constant axial loads, i.e. 60% and 30% of column axial load capacity, were combined with cyclically-increasing lateral loads to impose reversed curvatures in the columns. Test results show that columns under 30% of axial load capacity behaved much more ductile and had higher lateral deformational capacity compared to columns under the 60% of axial load capacity. The columns using closer transverse reinforcement spacing have slightly higher ductility than columns with larger spacing.
Tharwat Osman;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Mashhour A. Alazwari;Nazira Mohamed
Steel and Composite Structures
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제50권1호
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pp.25-43
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2024
In this article, a mathematical model is developed to predict the dynamic behavior of bio-inspired composite beam with helicoidal orientation scheme under variable axial load using a unified higher order shear deformation beam theory. The geometrical kinematic relations of displacements are portrayed with higher parabolic shear deformation beam theory. Constitutive equation of composite beam is proposed based on plane stress problem. The variable axial load is distributed through the axial direction by constant, linear, and parabolic functions. The equations of motion and associated boundary conditions are derived in detail by Hamilton's principle. Using the differential quadrature method (DQM), the governing equations, which are integro-differential equations are discretized in spatial direction, then they are transformed into linear eigenvalue problems. The proposed model is verified with previous works available in literatures. Parametric analyses are developed to present the influence of axial load type, orthotropic ratio, slenderness ratio, lamination scheme, and boundary conditions on the natural frequencies of composite beam structures. The present enhanced model can be used especially in designing spacecrafts, naval, automotive, helicopter, the wind turbine, musical instruments, and civil structures subjected to the variable axial loads.
The objective of this experimental investigation is to examine the feasibility and the usefulness of the complementary crosstie in the current ACI 318-89 code for rienforced concrete columns subjected to constant axial load and lateral load reversals. Tests were conducted on1/3 scaled four columns with the length of 1.9m and the cross section of 20$\times$20 cm. The main parameters of specimens were the magnitude of axial load applied and the configuration of transverse reinforcements . From the experimental results, it can be seen that while the column subjected to lower axial load represented considerable ductility behaviors, the column subjected to higher axial load showed the brittle failure
This experimental study is aiming to investigate the hysteritic behavior of high-strength R/C columns subjected to axial load and lateral load reversals. The five 1/4 scaled specimens were made of high-strength concrete with the design strength load(n=0.2f'cAg, n=0.4f'cAg) and type of transverse reinforcement. From the test results, strength and stiffness degradation of columns under higher axial load is much more serious than that under lower axial load. ductility of columns is enhansed with increasing amount of transverse reinforcement, shear strength is depended on the level of axial load.
Khan, Qasim S.;Sheikh, M. Neaz;Hadi, Muhammad N.S.
Steel and Composite Structures
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제30권6호
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pp.591-601
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2019
This research study investigates experimentally and analytically the axial compressive behaviour of Concrete Filled Fiber Reinforced Polymer Tube (CFFT) columns with and without Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars. The experimental program comprises five circular columns of 204-206 mm outer diameter and 800-812 mm height. All columns were tested under concentric axial compressive loads. It was found that CFFT columns with and without FRP bars achieved higher peak axial compressive loads and corresponding axial deformations than conventional steel reinforced concrete (RC) column. The contribution of FRP bars was about 12.1% of the axial compressive loads carried by CFFT columns reinforced with FRP bars. Axial load-axial deformation ($P-{\delta}$) curves of CFFT columns were analytically constructed, which mapped well with the experimental $P-{\delta}$ curves. Also, an equation was proposed to predict the axial compressive load capacity of CFFT columns with and without FRP bars, which adequately considers the contributions of the circumferential confinement provided by FRP tubes and lower ultimate strength of FRP bars in compression than in tension.
Melaibari, Ammar;Khoshaim, Ahmed B.;Mohamed, Salwa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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제35권5호
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pp.671-685
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2020
This manuscript presents impacts of gradation of material functions and axial load functions on critical buckling loads and mode shapes of functionally graded (FG) thin and thick beams by using higher order shear deformation theory, for the first time. Volume fractions of metal and ceramic materials are assumed to be distributed through a beam thickness by both sigmoid law and symmetric power functions. Ceramic-metal-ceramic (CMC) and metal-ceramic-metal (MCM) symmetric distributions are proposed relative to mid-plane of the beam structure. The axial compressive load is depicted by constant, linear, and parabolic continuous functions through the axial direction. The equilibrium governing equations are derived by using Hamilton's principles. Numerical differential quadrature method (DQM) is developed to discretize the spatial domain and covert the governing variable coefficients differential equations and boundary conditions to system of algebraic equations. Algebraic equations are formed as a generalized matrix eigenvalue problem, that will be solved to get eigenvalues (buckling loads) and eigenvectors (mode shapes). The proposed model is verified with respectable published work. Numerical results depict influences of gradation function, gradation parameter, axial load function, slenderness ratio and boundary conditions on critical buckling loads and mode-shapes of FG beam structure. It is found that gradation types have different effects on the critical buckling. The proposed model can be effective in analysis and design of structure beam element subject to distributed axial compressive load, such as, spacecraft, nuclear structure, and naval structure.
Concrete-filled steel tubes (CFSTs) are increasingly used as composite sections in structures owing to their excellent load bearing capacity. Therefore, predicting the mechanical behavior of CFST sections under axial compression loading is vital for design purposes. This paper presents the first study on the nonlinear analysis of heated CFSTs with high-strength concrete core containing steel fiber and waste tire rubber under axial compression loading. CFSTs had steel fibers with 0, 1, and 1.5% volume fractions and 0, 5, and 10% rubber particles as sand alternative material. They were subjected to 20, 250, 500, and 750℃ temperatures. Using flow rule and analytical analysis, a model is developed to predict the load bearing capacity of steel tube, and hoop strain-axial strain relationship, and axial stress-volumetric strain relationship of CFSTs. An elastic-plastic analysis method is applied to determine the axial and hoop stresses of the steel tube, considering elastic, yield, and strain hardening stages of steel in its stress-strain curve. The axial stress in the concrete core is determined as the difference between the total experimental axial stress and the axial stress of steel tube obtained from modeling. The results show that steel tube in CFSTs under 750℃ exhibits a higher load bearing contribution compared to those under 20, 250, and 500℃. It is also found that the ratio of load bearing capacity of steel tube at peak point to the load bearing capacity of CFST at peak load is noticeable such that this ratio is in the ranges of 0.21-0.33 and 0.31-0.38 for the CFST specimens with a steel tube thickness of 2 and 3.5 mm, respectively. In addition, after the steel tube yielding, the load bearing capacity of the tube decreases due to the reduction of its axial stiffness and the increase of hoop strain rate, which is in the range of about 20 to 40%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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