Aiming at studying the plastic hinge (PH) evolution regularities and failure mode of rocking wall moment frame (RWMF) structure in earthquakes, the whole-working history analysis of seismic performance state of RWMF structure based on co-operation performance and PH evolution was carried out. Building upon the theoretical analysis of the elastic internal forces and deformations of RWMF structures, nonlinear finite element analysis (FEA) methods were employed to perform both Pushover analysis and seismic response time history analysis under different seismic coefficients (δ). The relationships among PH occurrence ratios (Rph), inter-story drifts and δ were established. Based on the plotted curve of the seismic performance states, evaluation limits for the Rph and inter-story drifts were provided for different performance states of RWMF structures. The results indicate that the Rph of RWMF structures exhibits a nonlinear evolution trend of "fast at first, then slow" with the increasing of δ. The general pattern is characterized by the initial development of beam hinges in the middle stories, followed by the development towards the top and bottom stories until the beam hinges are fully formed. Subsequently, the development of column hinges shifts from the bottom and top stories towards the middle stories of the structure, ultimately leading to the loss of seismic lateral capacity with a failure mode of partial beam yield, demonstrating a global yielding pattern. Moreover, the limits for the Rph and inter-story drifts effectively evaluate the five different performance states of RWMF structures.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.18
no.2
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pp.1-8
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2014
The present study proposes a simple equation to straightforwardly determine the potential plastic hinge length in boundary element of reinforced concrete shear walls. From the idealized curvature distribution along the shear wall length, a basic formula was derived as a function of yielding moment, maximum moment, and additional moment owing to diagonal tensile crack. Yielding moment and maximum moment capacities of shear wall were calculated on the basis of compatability of strain and equilibrium equation of internal forces. The development of a diagonal tensile crack at web was examined from the shear transfer capacity of concrete specified in ACI 318-11 provision and then the additional moment was calculated using the truss mechanism along the crack proposed by Park and Paulay. The moment capacities were simplified from an extensive parametric study; as a result, the equivalent plastic hinge length of shear walls could be formulated using indices of longitudinal tensile reinforcement at the boundary element, vertical reinforcement at web, and applied axial load. The proposed equation predicted accurately the measured plastic hinge length, providing that the mean and standard deviation of ratios between predictions and experiments are 1.019 and 0.102, respectively.
Inglessis, Pether;Medina, Samuel;Lopez, Alexis;Febres, Rafael;Florez-Lopez, Julio
Steel and Composite Structures
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v.2
no.1
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pp.21-34
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2002
A model of the process of local buckling in tubular steel structural elements is presented. It is assumed that this degrading phenomenon can be lumped at plastic hinges. The model is therefore based on the concept of plastic hinge combined with the methods of continuum damage mechanics. The state of this new kind of inelastic hinge is characterized by two internal variables: the plastic rotation and the damage. The model is valid if only one local buckling appears in the plastic hinge region; for instance, in the case of framed structures subjected to monotonic loadings. Based on this damage model, a new finite element that can describe the development of local buckling is proposed. The element is the assemblage of an elastic beamcolumn and two inelastic hinges at its ends. The stiffness matrix, that depends on the level of damage, the yielding function and the damage evolution law of the two hinges define the new finite element. In order to verify model and finite element, several small-scale frames were tested in laboratory under monotonic loading. A lateral load at the top of the frame was applied in a stroke-controlled mode until local buckling appears and develops in several locations of the frame and its ultimate capacity was reached. These tests were simulated with the new finite element and comparison between model and test is presented and discussed.
Kara, Ilker Fatih;Ashour, Ashraf F.;Dundar, Cengiz
Structural Engineering and Mechanics
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v.63
no.5
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pp.669-681
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2017
The design of reinforced concrete buildings must satisfy the serviceability stiffness criteria in terms of maximum lateral deflections and inter story drift in order to prevent both structural and non-structural damages. Consideration of plastic hinge formation is also important to obtain accurate failure mechanism and ultimate strength of reinforced concrete frames. In the present study, an iterative procedure has been developed for the analysis of reinforced concrete frames with cracked elements and consideration of plastic hinge formation. The ACI and probability-based effective stiffness models are used for the effective moment of inertia of cracked members. Shear deformation effect is also considered, and the variation of shear stiffness due to cracking is evaluated by reduced shear stiffness models available in the literature. The analytical procedure has been demonstrated through the application to three reinforced concrete frame examples available in the literature. It has been shown that the iterative analytical procedure can provide accurate and efficient predictions of deflections and ultimate strength of the frames studied under lateral and vertical loads. The proposed procedure is also efficient from the viewpoint of computational time and convergence rate. The developed technique was able to accurately predict the locations and sequential development of plastic hinges in frames. The results also show that shear deformation can contribute significantly to frame deflections.
A new finite shear wall element model and a method for calculation of 3D multi-storied only shear walled or shear walled - framed structures using finite shear wall elements assumed ideal elasto - plastic material are developed. The collapse load of the system subjected to factored constant gravity loads and proportionally increasing lateral loads is calculated with a method of load increments. The shape functions over the element are determined as a cubic variation along the story height and a linear variation in horizontal direction because of the rigid behavior of the floor slab. In case shear walls are chosen as only one element in every floor, correct solutions are obtained by using this developed element. Because of the rigid behavior of the floor slabs, the number of unknowns are reduced substantially. While in framed structures, classical plastic hinge hypothesis is used, in nodes of shear wall elements when vertical deformation parameter is exceeded ${\varepsilon}_e$, this node is accepted as a plastic node. While the system is calculated with matrix displacement method, for determination of collapse safety, plastic displacements and plastic deformations are taken as additional unknowns. Rows and columns are added to the system stiffness matrix for additional unknowns.
It is known that lap splices in the longitudinal reinforcement of reinforced concrete (RC) bridge columns are not desirable for seismic performance, but it is sometimes unavoidable. Lap splices were practically located in the potential plastic hinge region of most bridge columns that were constructed before the 1992 seismic design provisions of the Korea Bridge Design Specification. The objective of this research is to evaluate the seismic performance of reinforced concrete (RC) bridge piers with lap splicing of longitudinal reinforcement in the plastic hinge region, to develop an enhancement scheme for their seismic capacity by retrofitting with glassfiber sheets, and to assess a damage of bridge columns subjected to seismic loadings for the development of rational seismic design provisions in low or moderate seismicity region. Nine (9) test specimens with an aspect ratio of 4 were made with three confinement ratios and three types of lap splice. Quasi-static tests were conducted in a displacement-controlled way under three different axial loads. A significant reduction of displacement ductility was observed for test columns with lap splices of longitudinal reinforcements, whose displacement ductility could be greatly improved by externally wrapping with glassfiber sheets in the plastic hinge region. A damage of the limited ductile specimen was assessed to be relatively small.
In this paper, numerical and experimental assessments have been conducted in order to investigate the capability of using CFRP for the seismic capacity improvement and relocation of plastic hinge in reinforced concrete connections. Two scaled down exterior reinforced concrete beam to column connections have been used. These two connections from a strengthened moment frame have been tested under uniformly distributed load before and after optimization. The results of experimental tests have been used to verify the accuracy of numerical modeling using computational ABAQUS software. Application of FRP plate on the web of the beam in connections to improve its capacity is of interest in this paper. Several parametric studies were carried out for CFRP reinforced samples, with different lengths and thicknesses in order to relocate the plastic hinge away from the face of the column.
International conference on construction engineering and project management
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2024.07a
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pp.1317-1317
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2024
As climate change escalates extreme weather events, the structural durability of plastic greenhouses, constituting 90% of Korea's facility agriculture, emerges as a critical issue. These greenhouses are pivotal for year-round crop cultivation and high-quality agricultural production. In 2021, collapses caused around US$2 million in damages, mainly due to heavy snowfall and strong winds, accounting for 97% of incidents. The Korean Ministry of Agriculture responded by disseminating disaster-resistant standardized designs, yet more robust standards are needed. Current designs rely on elastic analysis, but plastic greenhouses display nonlinear behavior due to factors like residual stress and local buckling. Our study employs a refined plastic hinge method and finite element analysis to analyze structures, considering progressive yielding. We conducted loading tests using scale down models of plastic greenhouses in accordance with similitude laws. Based on these tests, the deformation of models under different load conditions was measured and compared with the deformation of greenhouse using our nonlinear structural analysis. This study will contribute to the development of reliable design criteria for plastic greenhouses in response to climate extremes such as heavy snowfall and typhoons. In addition, by identifying the deformation characteristics of plastic greenhouses due to loads, it can contribute to establishing usability standards for greenhouses, and reinforcement measures for vulnerable areas which are easily deformed under load can be considered.
Ha, Gee-Joo;Sin, Jong-Hak;Yi, Dong-Ryul;Hong, Kun-Ho
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.11a
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pp.5-8
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2008
In this dissertation, experimental research was carried out to study the hysteretic behavior of reinforced high-strength concrete beam-column joints designed by high performance techniques, such as application of high-strength concrete, reducing of joint regions damage, moving of beam plastic hinge, advanced reinforcing detailings and High Ductile Fiber-Reinforced Mortar.(HDFRM) Specimens(HJCI), designed by the development of earthquake-resistant performance, moving of beam plastic hinge, and new design approach, were attained the moving of beam plastic hinge and developed significantly earthquake-resistant performance of such joints. Specimens(HJRP), designed with HDFRM, were indicated more stable hysteresis behavior, high load carrying capacity, and distributed crack pattern of specimens HJRP when compared to the control specimen.
Well-designed steel moment connections will undergo local buckling before they exhaust their available rotation capacity, and inelastic post-buckling deformation plays a major role in defining the connection rotation capacity. An approximate analytical method to model strength degradation and failure of beam plastic hinges due to local buckling and estimation of the seismic rotation capacity of fully restrained beam-column connections in special steel moment-resisting frames under both monotonic and cyclic loading conditions is proposed in this study. This method is based on the plastic mechanism and a yield line plastic hinge (YLPH) model whose geometry is determined using the shapes of the buckled plastic hinges observed in experiments. The proposed YLPH model was developed for the improved WUF-W and RBS connections and validated in comparison with experimental data. The effects of the beam section geometric parameters on the rotation capacity were discussed in the companion paper (parametric studies).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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