The results of a numerical investigation pertaining to the hysteretic behaviour of concrete filled steel tubular (CFT) column to I-beam connections are discussed in detail. Following the verification of the numerical results against the available experimental tests, the nonlinear finite element (FE) analysis was implemented to evaluate the effects of different parameters including the column axial load, beam lateral support, shape and arrangement of stiffeners, stiffness of T-stiffeners, and the number of shear stiffeners. Pursuing this objective, an external CFT column to beam connection, tested previously, was selected as the case-study. The lateral forces on the structure were simulated, albeit approximately, using an incremental cyclic loading reversal applied at the beam tip. The results were compared in terms of hysteretic load-displacement curves, stress distributions in connection, strength, rotation, and energy dissipation capacity. It was shown that external T-stiffeners combined with internal shear stiffeners play an important role in the hysteretic performance of CFT columns to I-beam connections.
When a welded circular hollow section (CHS) tubular joint is subjected to brace axial loading, failure position is located usually at the weld toe on the chord surface due to the weak flexural stiffness of the thin-walled chord. The failure mode is local yielding or buckling in most cases for a tubular joint subjected to axial load at the brace end. Especially when a cyclic axial load is applied, fracture failure at the weld toe may occur because both high stress concentration and welding residual stress along the brace/chord intersection cause the material in this region to become brittle. To improve the ductility as well as to increase the static strength, a tubular joint can be reinforced by increasing the chord thickness locally near the brace/chord intersection. Both experimental investigation and finite element analysis have been carried out to study the hysteretic behaviour of the reinforced tubular joint. In the experimental study, the hysteretic performance of two full-scale circular tubular T-joints subjected to cyclic load in the axial direction of the brace was investigated. The two specimens include a reinforced specimen by increasing the wall thickness of the chord locally at the brace/chord intersection and a corresponding un-reinforced specimen. The hysteretic loops are obtained from the measured load-displacement curves. Based on the hysteretic curves, it is found that the reinforced specimen is more ductile than the un-reinforced one because no fracture failure is observed after experiencing similar loading cycles. The area enclosed by the hysteretic curves of the reinforced specimen is much bigger, which shows that more energy can be dissipated by the reinforced specimen to indicate the advantage of the reinforcing method in resisting seismic action. Additionally, finite element analysis is carried out to study the effect of the thickness and the length of the reinforced chord segment on the hysteretic behaviour of CHS tubular T-joints. The optimized reinforcing method is recommended for design purposes.
A numerical approach to simulate the behaviour of timber shear walls under both static and dynamic loading is proposed. Because the behaviour of timber shear walls hinges on the behaviour of the nail connections, the force-displacement behaviour of sheathing-to-framing nail connections are first determined and then used to define the hysteretic properties of finite elements representing these connections. The model nails are subsequently implemented into model walls. The model walls are verified using experimental results for both monotonic and cyclic loading. It is demonstrated that the complex hysteretic behaviour of timber shear walls can be reasonably represented using model shear walls in which nonlinear material failure is concentrated only at the sheathing-to-framing nail connections.
Popa, Viorel;Pascu, Radu;Papurcu, Andrei;Albota, Emil
Earthquakes and Structures
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v.10
no.1
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pp.125-139
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2016
For seismic retrofitting of masonry walls, the use of fibre reinforced cement-based mortar for bonding the fibre grids can eliminate some of the shortcomings related to the use of resin as bonding material. The results of an experimental testing program on masonry walls retrofitted with fibre reinforced mortar and fibre grids are presented in this paper. Seven squat masonry walls were tested under unidirectional lateral displacement reversals and constant axial load. Steel anchors were used to increase the effectiveness of the bond between the fibre grids and the masonry walls. Application of fibre grids on both lateral faces of the walls effectively improved the hysteretic behaviour and specimens could be loaded until slip occurred in the horizontal joint between the masonry and the bottom concrete stub. Application of the fibre grids on a single face did not effectively improve the hysteretic behaviour. Retrofitting with fibre reinforced mortar only prevented the early damage but did not effectively increase deformation capacity. When the boundaries of the cross sections were not properly confined, midplane splitting of the masonry walls occurred. Steel anchors embedded in the walls in the corners area effectively prevented this type of failure.
The effect of shear coupled with axial force variation on the inelastic seismic behaviour of reinforced concrete bridge piers is investigated in this paper. For this purpose, a hysteretic axial-shear interaction model was developed and implemented in a nonlinear finite element analysis program. Thus, flexure-shear-axial interaction is simulated under variable amplitude reversed actions. Comparative studies for shear-dominated reinforced concrete columns indicated that a conventional FE model based on flexure-axial interaction only gave wholly inadequate results and was therefore incapable of predicting the behaviour of such members. Analysis of a reinforced concrete bridge damaged during the Northridge (California 1994) earthquake demonstrated the importance of shear modelling. The contribution of shear deformation to total displacement was considerable, leading to increased ductility demand. Moreover, the effect of shear with axial force variation can significantly affect strength, stiffness and energy dissipation capacity of reinforced concrete members. It is concluded that flexure-shear-axial interaction should be taken into account in assessing the behaviour of reinforced concrete bridge columns, especially in the presence of high vertical ground motion.
Simoes, Rui;da Silva, Luis Simoes;Cruz, Paulo J.S.
Steel and Composite Structures
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v.1
no.3
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pp.355-376
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2001
An experimental research program on end-plate beam-to-column composite joints under cyclic loading is presented. The major focus relates to the identification of the contribution of the concrete confinement in composite columns to the behaviour of the joint, on internal nodes and external nodes, together with an assessment of degradation of strength and stiffness in successive loading cycles. From the experimental results it was possible to identify the various failure modes and to fit the corresponding hysteretic curves to the Richard-Abbott and Mazzolani models. These curve-fitting exercises highlighted the need to adapt both models, either for improved ease of application, or to deal with some aspects previously not covered by those models.
Corrosion of reinforcement is the greatest threat to the safety of existing reinforced concrete (RC) structures. Most of the olden structures are gravity load designed (GLD) and are seismically deficient. In present study, investigations are carried out on corrosion damaged GLD beam-column sub-assemblages under reverse cyclic loading, in order to evaluate their seismic performance. Five GLD beam-column sub-assemblage specimens comprising of i) One uncorroded ii) Two corroded iii) One uncorroded strengthened with steel bracket and haunch iv) One corroded strengthened with steel bracket and haunch, are tested under reverse cyclic loading. The performances of these specimens are assessed in terms of hysteretic behaviour, energy dissipation and strength degradation. It is noted that the nature of corrosion i.e. uniform or pitting corrosion and its location have significant influence on the behaviour of corrosion damaged GLD beam-column sub-assemblages. The corroded specimens with localised corrosion pits showed in-cyclic strength degradation. The study also reveals that external strengthening which provides an alternate force path but depends on the strength of the existing reinforcement bars, is able to mitigate the seismic risk of corroded GLD beam-column sub-assemblages to the level of control uncorroded GLD specimen.
This paper presents the results of a study on the capability of nonlinear quasi-static finite element modelling in simulating the hysteretic behaviour of CFRP and GFRP-retrofitted RC exterior beam-column joints under cyclic loads. Four specimens including two plain and two CFRP/GFRP-strengthened beam-column joints tested by Mahini and Ronagh (2004) and other researchers are modelled using ANSYS. Concrete in compression is defined by the modified Hognestad model and anisotropic multi-linear model is employed for modelling the stress-strain relations in reinforcing bars while anisotropic plasticity is considered for the FRP composite. Both concrete and FRP are modelled using solid elements whereas space link elements are used for steel bars considering a perfect bond between materials. A step by step load increment procedure to simulate the cyclic loading regime employed in the testing. An automatically reforming stiffness matrix strategy is used in order to simulate the actual seismic performance of the RC concrete after cracking, steel yielding and concrete crushing during the push and pull loading cycles. The results show that the hysteretic simulation for all specimens is satisfactory and therefore suggest that the numerical model can be used as an inexpensive tool to design of FRP-strengthened RC beam-column joints under cyclic loads.
A horizontal cyclic test was carried out to study the seismic performance of lightweight aggregate concrete filled steel tube (LACFST). The constitutive and hysteretic model of core lightweight aggregate concrete (LAC) was proposed for finite element simulation. The stress and strain changes of the steel tube and concrete filled inside were measured in the experiment, and the failure mode, hysteresis curve, skeleton curve, and strain curve of the test specimens were obtained. The influence of axial compression ratio, diameter-thickness ratio and material strength were analysed based on finite element model. The results show that the hysteresis curve of LACFST indicated favourable ductility, energy dissipation, and seismic performance. The LACFST failed when the concrete in the bottom first crushed and the steel tube then bulged, thus axial force imposed by prestressing was proved to be feasible. The proposed constitutive model and hysteretic model of LAC under the constraint of its steel tube was reliable. The bearing capacity and ductility of the specimen increase significantly with increasing thickness of the steel tube. The bearing capacity of the member improves while the ductility and energy dissipation performance slightly decreased with the increasing strength of the steel and concrete.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.4
no.3
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pp.23-34
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2000
반복하중을 지지하는 4개의 2/3 크리 접합부 실험을 통하여 콘크리트 기둥 및 강재 보로 구성된 골조에 대한 외부 모멘트 접합부의 이력거동을 조사하였다. 주요 실험 변수는 접합부에 배치된 후프근의 수, 콘크리트만의 전단강도 발현응ㄹ 유도한 접합부 상세, 강재 보 플랜지 상, 하부에 스터드 형태의 전단키를 사용한 상세 등이다. 실험 시 관측된 균열양상, 파괴형상 및 다양한 계측결과에 근거하여 접합부 상세에 따른 각 시험체의 거동이 자세히 기술되었으며, 항복 후 보유강도, 강성저하 정도 및 에너지 소산능력 등이 분석되었다. 실험결과에 의하면, 이들 중 패널 및 인접 기둥 영역에 각각 2개의 후프근을 갖는 시험체 (CF3) 가 가장 우수한 이력응답을 나타냈으며, 이러한 형태의 접합부 상헤는 우리나와 같은 약진 지역에 적합할 것으로 판단되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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