To investigate the mechanical behavior of unbonded prestressed reinforced concrete (PRC) beam with high-strength spiral stirrups, the shear capacity formula of the beam was proposed in this study based on modified variable angle truss and arch models. Considering the effect of the spiral stirrups and unbonded tendons, the theoretical formula of the shear capacity of the beam was derived. Furthermore, the coefficients related to the formula, such as the equivalent angle and stress of spiral stirrups, the ratio of shear span to effective depth, and the concrete compression zone depth of the arch model were determined. The complicated theoretical formula was further simplified for ease of use by engineers. In addition, the finite element model of the PRC beam was established and verified by test data. The additional FE model of PRC beam with spiral stirrups was established and parametric analysis was carried out. Finally, the proposed formula was validated by numerical results of the beam with spiral stirrups. The calculated values of the formula are in good agreement with the numerical simulation data. This study may enrich the understanding of the shear capacity of the unbonded PRC beam with high-strength spiral stirrups.
In the previous analytical studies on 2D reinforced concrete (RC) beam-column joints, the modified compression field theory (MCFT) and the strut-and-tie method (STM) are usually employed. In this paper, the limitations of these analytical models for RC joint applications are reviewed. Essentially for predictions of RC joint shear behaviour, the MCFT is not applicable, while the STM can only predict the ultimate shear strength. To eliminate these limitations, an improved STM is derived and applied to some commonly encountered 2D joints, viz., interior and exterior joints, subjected to monotonic loading. Compared with the other STMs, the most attracting novelty of the proposed improved STM is that all critical stages of the shear stress-strain relationships for RC joints can be predicted, which cover the stages characterized by concrete cracking, transverse reinforcement yielding and concrete strut crushing. For validation and demonstration of superiority, the shear stress-strain relationships of interior and exterior RC beam-column joints from published experimental studies are employed and compared with the predictions by the proposed improved STM and other widely-used analytical models, such as the MCFT and STM.
Steel systems composed of Reinforced Concrete column to Steel beam connection (RCS) have been raised as a structural system in the past few years. The optimized combination of steel-concrete structural elements has the advantages of both systems. Through beam and through column connections are two main categories in RCS systems. This study includes finite-element analyses of mentioned connection to investigate the seismic performance of RCS connections. The finite element model using ABAQUS software has been verified with experimental results of a through beam type connection tested in Taiwan in 2005. According to verified finite element model a parametric study has been carried out on five RCS frames with different types of lateral restraint system. The main objective of this study is to investigate the forming of plastic hinges, distribution of stresses, ductility and stiffness of these models. The results of current research showed good performance of composite systems including concrete column-steel beam in combination with steel shear wall and bracing system, are very desirable. The results show that the linear stiffness of models with X bracing and steel shear wall increase remarkably and their ultimate strength increase about three times rather than other RCS frames.
Slimane Debbaghi;Mouloud Dahmane;Mourad Benadouda;Hassen Ait Atmane;Nourddine Bendenia;Lazreg Hadji
Coupled systems mechanics
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v.13
no.1
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pp.43-60
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2024
This work presents an analytical approach to investigate wave propagation in bi-directional functionally graded cantilever porous beam. The formulations are based on Touratier's higher-order shear deformation beam theory. The physical properties of the porous functionally graded material beam are graded through the width and thickness using a power law distribution. Two porosities models approximating the even and uneven porosity distributions are considered. The governing equations of the wave propagation in the porous functionally graded beam are derived by employing the Hamilton's principle. Closed-form solutions for various parameters and porosity types are obtained, and the numerical results are compared with those available in the literature.The numerical results show the power law index, number of wave, geometrical parameters and porosity distribution models affect the dynamic of the FG beam significantly.
Jongvivatsakul, Pitcha;Laopaitoon, Phattarakan;Nguyen, Yen T.H.;Nguyen, Phuoc T.;Bui, Linh V.H.
Computers and Concrete
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v.27
no.5
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pp.395-406
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2021
This study experimentally and analytically investigates the shear behavior of corroded reinforced concrete (RC) beams repaired using steel fiber-reinforced concrete (SFRC) in the flexural zone. The experimental parameters are the corrosion degree (0%, 12%, and 17%) and the steel fiber volume in the SFRC (1.0%, 1.5%, and 2.0%). The test results reveal that corrosion degree significantly affects the shear resistance of the beams. The shear capacity of the beam with the corrosion degree of 17% was higher than that of the uncorroded beam, whereas the shear capacity of the beam with the corrosion degree of 12% was lower than that of the uncorroded beam. The shear efficiency of damaged beams can be recovered by repairing them using SFRC that contains a reasonable amount of steel fibers. In addition, two methods to estimate the shear capacity of the repaired beams are developed using the modified truss analogy and strut-and-tie models. The estimated shear capacity of the beam using the modified truss analogy model agrees well with the experimental data.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.1
no.1
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pp.63-73
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2007
Optimum multi-layered feed-forward neural network (NN) models using a resilient back-propagation algorithm and early stopping technique are built to predict the shear capacity of reinforced concrete deep and slender beams. The input layer neurons represent geometrical and material properties of reinforced concrete beams and the output layer produces the beam shear capacity. Training, validation and testing of the developed neural network have been achieved using 50%, 25%, and 25%, respectively, of a comprehensive database compiled from 631 deep and 549 slender beam specimens. The predictions obtained from the developed neural network models are in much better agreement with test results than those determined from shear provisions of different codes, such as KBCS, ACI 318-05, and EC2. The mean and standard deviation of the ratio between predicted using the neural network models and measured shear capacities are 1.02 and 0.18, respectively, for deep beams, and 1.04 and 0.17, respectively, for slender beams. In addition, the influence of different parameters on the shear capacity of reinforced concrete beams predicted by the developed neural network shows consistent agreement with those experimentally observed.
Beam-column joints are a critical component of reinforced concrete frame structures. They are responsible for transferring forces between adjoining beams and columns while limiting story drifts and maintaining structural integrity. During severe loading, beam-column joints deform significantly, affecting, and sometimes governing, the overall response of frame structures. While most failure modes for beam and column elements are commonly considered in plastic-hinge-based global frame analyses, the beam-column joint failure modes, such as concrete shear and reinforcement bond slip, are frequently omitted. One reason for this is the dearth of published guidance on what type of hinges to use, how to derive the joint hinge properties, and where to place these hinges. Many beam-column joint models are available in literature but their adoption by practicing structural engineers has been limited due to their complex nature and lack of practical application tools. The objective of this study is to provide a comparative review of the available beam-column joint models and present a practical joint modeling approach for integration into commonly used global frame analysis software. The presented modeling approach uses rotational spring models and is capable of modeling both interior and exterior joints with or without transverse reinforcement. A spreadsheet tool is also developed to execute the mathematical calculations and derive the shear stress-strain and moment-rotation curves ready for inputting into the global frame analysis. The application of the approach is presented by modeling a beam column joint specimen which was tested experimentally. Important modeling considerations are also presented to assist practitioners in properly modeling beam-column joints in frame analyses.
During an earthquake, steel frame columns can be subjected to high axial forces combined with inelastic rotation demand resulting from story drift. Generally, the whole beam or component can be represented with one element. In elasto-plastic analysis, subdivision is necessary if the plastic deformation occurs within two ends of beams. If effects of the joint panel are necessarily considered in the analysis, the joint panel should be represented with an independent element. It is a special element to represent the shear deformation of the joint panel in the beam-column connection zone. Several analytical models for panel zone (PZ) behavior exist, in terms of shear force-shear distortion relationships. Among these models, the Krawinkler PZ model is the most popular one which is used in the AISC code. Some studies have pointed out that Krawinkler's model gives good results for the range of thin to medium column flanges thickness. This paper, introduces a new model to estimate the response of shear force-shear distortion for the PZ including column axial force. The model is applicable to both thin and thick column flange. To achieve an appropriate PZ mathematical model first, the effects of PZ strength and stiffness on connection response are parametrically studied using finite element models. More than one thousand and four-hundred beam-column connections are included in the parametric study, with varied parameters; then based on analytical results a simple mathematical model is presented. A comparison between the results of proposed method herein with FE analyses shows the average error especially in thick column flange is significantly reduced which demonstrates the accuracy, efficiency, and simplicity of the proposed model.
This paper proposes a one-dimensional fiber beam element model taking account of materially non-linear behavior, benefiting the highly efficient elastic-plastic analysis of girders with shear-lag effects. Based on the displacement-based fiber beam-column element, two additional degrees of freedom (DOFs) are added into the proposed model to consider the shear-lag warping deformations of the slabs. The new finite element (FE) formulations of the tangent stiffness matrix and resisting force vector are deduced with the variational principle of the minimum potential energy. Then the proposed element is implemented in the OpenSees computational framework as a newly developed element, and the full Newton iteration method is adopted for an iterative solution. The typical materially non-linear behaviors, including the cracking and crushing of concrete, as well as the plasticity of the reinforcement and steel girder, are all considered in the model. The proposed model is applied to several test cases under elastic or plastic loading states and compared with the solutions of theoretical models, tests, and shell/solid refined FE models. The results of these comparisons indicate the accuracy and applicability of the proposed model for the analysis of both concrete box girders and steel-concrete composite girders, under either elastic or plastic states.
With the aim to put forward the analytical model for calculating the shear capacity of precast steel reinforced concrete (PSRC) beams, a static test on two full-scale PSRC specimens was conducted under four-point loading, and the failure modes and strain developments of the specimens were critically investigated. Based on the test results, a modified truss-arch model was proposed to analyze the shear mechanisms of PSRC and cast-in-place SRC beams. In the proposed model, the overall shear capacity of PSRC and cast-in-place SRC beams can be obtained by combining the shear capacity of encased steel shape with web concrete determined by modified Nakamura and Narita model and the shear capacity of reinforced concrete part determined by compatible truss-arch model which can consider both the contributions of concrete and stirrups to shear capacity in the truss action as well as the contribution of arch action through compatibility of deformation. Finally, the proposed model is compared with other models from JGJ 138 and AISC 360 using the available SRC beam test data consisting of 75 shear-critical PSRC and SRC beams. The results indicate that the proposed model can improve the accuracy of shear capacity predictions for shear-critical PSRC and cast-in-place SRC beams, and relatively conservative results can be obtained by the models from JGJ 138 and AISC 360.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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