A beam–column joint element for analysis of reinforced concrete frame structures

ABSTRACT

Earthquake reconnaissance and laboratory tests reveal that the beam–column joints of existing RC frame structures in China are susceptible to failure, leading to severe structural damage. However, the inelastic response of joint elements is rarely considered in structural analysis or design. A new joint element  considering shear deformation and bar-slip behaviour was proposed and verified using an extensive  experimental data set. Two RC frame specimens with different details were modelled with the joint element and their simulated seismic responses were compared with experimental results in terms of global and local performance. Based on the simulation, the joint element proved to be reliable and suitable for 2D structural modelling. Finally, two reinforced concrete frame structures with the same dimensions and reinforcement ratios but different ductility are modelled with and without the proposed joint elements. The proposed joint  element was shown to accurately predict the mechanical behaviour of such structures and their  components, especially the hysteresis behaviour. Analysis shows that joint failure tends to happen in low- ductility structures and will reduce the ductility and the energy dissipation ability of the structure, even cause structural collapse. Compared with the new designed structures, seismic performance of the low-ductility ones is worse, with poor energy dissipation, weak collapse resistance and brittle failure modes.

INTRODUCTION

  Earthquake reconnaissance and laboratory tests reveal that old beam–column joints of reinforced concrete (RC) frame structures built in China or other countries tend to suffer severe earthquake damage . The typical failure modes include shear failure of joints and bond failure of the longitudinal beam in the joint panel, which may cause severe structural damage . In order to consider the potential impact of joint failure on  structural  seismic response, researchers have developed various implicit explicit models of joint elements . In the implicit ones the joint region is indirectly represented by nonlinear springs or plastic hinges in adjacent beams or  columns. Such elements make it computationally efficient to determine the global influence of  nonlinear joints on structural responses, but their shear deformation and bond-slip are hard to predict . Explicit elements consider an explicit representation of the joint region and satisfy joint kinematics. 

چکیده

شناسایی زمین لرزه و آزمایش های آزمایشگاهی نشان می دهد که اتصالات پرتو ستون ساختارهای قاب RC موجود در چین حساس به شکست هستند، که منجر به آسیب شدید ساختاری می شود. با این حال، پاسخ غیروابسته از عناصر مشترک به ندرت در تجزیه و تحلیل ساختاری یا طراحی ساختار در نظر گرفته می شود. یک عنصر مشترک جدید با توجه به تغییر شکل لغزش و بار لغزش پیشنهاد شده و تایید شده با استفاده از مجموعه داده های آزمایشی گسترده. دو نمونه RC با جزئیات مختلف با عنصر مشترک مدل سازی شدند و پاسخ های لرزه ای شبیه سازی شده آنها با نتایج آزمایشگاهی در شرایط عملکرد جهانی و محلی مقایسه شد. بر اساس شبیه سازی، عنصر مشترک، قابل اعتماد و مناسب برای مدلسازی دو بعدی ساختاری است. در نهایت، دو ساختار قاب بتنی تقویت شده با ابعاد و نسبت تقویت نسبت به یکدیگر، اما قابلیت انعطاف پذیری مدل با و بدون عناصر مشترک پیشنهاد شده است. عنصر مشترک پیشنهاد شده به درستی پیش بینی رفتار مکانیکی چنین سازه ها و اجزای آنها، به ویژه رفتار هیسترزیس را نشان می دهد. تجزیه و تحلیل نشان می دهد که شکستگی مفصلی در ساختارهای کم انعطاف پذیر اتفاق می افتد و باعث کاهش انعطاف پذیری و توانایی انهدام انرژی ساختار می شود، حتی باعث فروپاشی ساختاری می شود. در مقایسه با ساختارهای جدید طراحی شده، عملکرد لرزه ای آن ها با ضعف های ضخیم، با افت انرژی ضعیف، مقاومت در برابر سقوط ضعیف و حالت های شکست شکننده، بدتر می شود.

مقدمه

شناسایی زمین لرزه و آزمایش های آزمایشگاهی نشان می دهد که اتصالات قدیمی ستون های ستون از سازه های بتنی تقویت شده (RC) ساخته شده در چین یا کشورهای دیگر تمایل به آسیب شدید زلزله دارند. حالت های شکست معمولی شامل شکست برشی اتصالات و شکست پیوند پرتو طولی در پانل مشترک است، که ممکن است باعث آسیب جدی ساختاری شود. به منظور بررسی اثر بالقوه شکست مشترک در پاسخ لرزشی ساختاری، محققان مدل های صریح ضمنی از عناصر مشترک را توسعه داده اند. در ناحیه های ضمنی ناحیه مفصل به طور غیرمستقیم توسط چشمه های غیر خطی یا لولاهای پلاستیکی در پرتوهای یا ستون های مجاور نمایان می شود. چنین عناصر، کارایی محاسباتی را برای تعیین تأثیر جهانی اتصالات غیرخطی بر پاسخ ساختاری می کند، اما تغییر شکل و لغزش باند آنها دشوار است. عناصر صریح بیانگر صریح منطقه مشترک هستند و سینماتیک مشترک را برآورده می کنند.

Year: 2016

Publisher : ELSEVIER

By : Peizhou Zhang , Shuang Hou , Jinping Ou 

File Information: English Language/ 12 Page / size: 887 KB

Download

سال : 1395

ناشر : ELSEVIER

کاری از : پیه ژوانگ، شوانگ هو، جینپینگ اوو

اطلاعات فایل : زبان انگلیسی / 12 صفحه / حجم : KB 887

لینک دانلود