EXPRERIMENT STUDY ON IRREGULARLY SH

EXPRERIMENT STUDY ON IRREGULARLY SHAPED REINFORCED CONCRETE

COLUMNS SUBJECTED TO SEISMIC ACTION

* University of Transport and Communications, Hanoi, Vietnam

+National University of Civil Engineering, Hanoi, Vietnam

Xuan-Huy Nguyen*

Xuan-Dat Pham+

Xuan-Chieu Luong*

*[e-mail]

Received:...

Abstract. This paper presents an experimental program to investigate the effects of cross-sectional shape on the seismic performance of irregularly shaped

reinforced concrete (RC) columns. Five groups of specimens that were one-quarter of typical columns of a prototype medium-rise building were tested to

failure using shaking table. The loading procedure was successively increasing peak ground acceleration until the test structure collapsed.The specimens

were designed with the same cross-section area but different flange width and flange thickness. The seismic response characteristics of all specimens such as

drift capacity, energy absorption capacity and failure mechanisms of each specimen group are evaluated, compared and discussed in detail. Based on the

current test data, design recommendation is provided to assist engineers in designing such irregularly shaped columns.

Keywords: irregularly shaped columns; seismic; reinforced concrete; ; shaking table; collaps;

1. Introduction

In high-rise reinforced concrete buildings, L and V-shaped columns can be effectively used at the

corner of architectural units such as office and residential rooms. Compared to the conventional

rectangular shaped columns having the same cross-sectional area, the irregularly shaped columns have

two advantages. Firstly, column flanges can be designed thin enough so that they are well hidden in

surrounding masonry walls, satisfying interior architectural requirements and saving more usable space.

Secondly, with relatively larger elastic modulus moment inertia of cross-sections, these columns help

increase the overall flexural stiffness of building structures, reducing lateral deflections and story drift

ratios due to lateral loads such as wind. A possible disadvantage with the use of L, V-shaped columns is

their post elastic performances in extreme earthquake event. Under such loading condition, highly

concentrated compressive stress induced from bending moment combined with axial forces may lead to

either local failure or instability of the flange in compression, resulting in significant reduction in flexural

stiffness and strength. Besides, less torsional stiffness and pure shear behavior of this type of columns that

may lead to sudden collapse are also the main concerns in buildings having high eccentricities.

Up-to-date, a limited number of experimental studies investigating the behavior of reinforced

concrete L, V-shaped columns have been available.1,-8 Ramamurthy et al.,1 and Hsu,2 reported two test

series on L-shaped column under biaxial bending action. The L-shaped column specimens that were

pinned at both ends were statically tested to failure. It was observed that all test specimens failed in

flexural failure mode when either crushing of concrete occurred near the mid-height column sections or

severe cracks occurred along the height of the columns. No twist of the bi-axially loaded specimens

around the longitudinal axis is observed during the test run. Li et al.,3 tested ten short tied L-shaped

reinforced concrete columns under the combination of constant axial and cyclic lateral loads to

investigate the seismic performance of such irregularly shaped columns. It was observed that the columns

failed by a single vertical crack that split them into two separate flanges along the corner line. The authors

explained this splitting failure mode was mainly due to the shear-dominant behavior of the test specimens

in the post-elastic range. Aman et al.,4 conducted a quasi-static test on four reinforced concrete shear

walls with L-shaped cross sections under the simultaneous action of axial and cyclic loads. These test

specimens that can be categorized as semi-precast structures were built with prefabricated panels acting

as concrete form at the time of construction. The authors reported that all specimens failed in flexure with

severe concrete crushing and buckling of longitudinal rebars at the free edges of the flange parallel to the

lateral loading direction. Besides, the strength reduction of specimens near the failure point is more

pronounced because the peak value of lateral cycle load decreased considerably.

In this paper, an experimental program to investigate the effects of cross-sectional shape on the

seismic performance of L and V-shaped reinforced concrete columns is presented. Ten specimens that

were one-quarter of typical columns of a prototype medium-rise building were built and dynamically

tested to failure using the shaking table. The specimens were designed with the same cross-section area

and the same amount of reinforcement but different flange width and flange thickness. The seismic

response characteristics of all specimens such as drift capacity, energy absorption capacity and failure

mechanisms of each specimen group are evaluated, compared and discussed in detail. Based on the

current test data, design recommendation is proposed to assist engineers in designing such irregularly

shaped columns.

2. Problem statement

A nine-storey, 2 bays x 5 bays residential reinforced concrete building is selected as the prototype

structure for the experimental investigation. In this building, the ground story functions as a cafeteria

with all façade and partition made by glass while stories from the second to the top serve for residential

purpose where facades and apartment partition walls are made by 250 (mm) thick brick. Typical

structural and functional plan of the residential stories is shown in Fig. 1. The bay length in x- and y-

direction is 6 (m), while cantilever beams and slabs in the front side (the corridor) and in the rear side

(the balcony) of the building is 2 (m) in length, resulting in approximate values of internal forces in all

supporting columns.

Fig. 1. Structural plan of prototype building

The reinforced concrete frame of the prototype building is designed according to Vietnamese codes

that are similar to Eurocodes. Design information and dimensions of beams and slabs are given in Table

Wind load 2

Seismic load 2

Live load 2

Slab thickness 150 mm

Beam dimensions (WxD) 250 (mm) x500 (mm)

Column sectional area

950/Nm

gams

1.265/

240/Nm

640000 (2

mm)

Table. 1. Design information of the preototype structure

Design of column cross-section for the prototype building are selected from five candidates as

shown in Fig. 2, including: conventional square section, L- and V- shaped sections with different flange

thickness. All sections have the same gross area of 6400002mm

reinforcement of 1% which is evenly distributed along the perimeter edges. Preliminary analysis has

shown that compared to the conventional square section (#2), the use of L- and V- shaped ones not only

satisfy interior architectural requirement at every apartment corner but also increases significantly the

overall lateral stiffness of the building under wind consideration. Table 2 shows the maximum lateral

and the same amount of longitudinal

2

displacement induced by wind load, seismic load in Y-direction and the saved usable area corresponding

to each candidate column section.

Fig. 2. Candidate column cross-sections

Section

#1

Section

#2

Section

#3

Lateral disp. at roof

level, 33.8 m (mm) 67.0 65 31.8 25.4 16.6

Saved usable area for

nine stories (m2) 40.5 0 17.5 40.5 40.5

Table 2. Preliminary analysis for the prototype building

In terms of seismic design, there are two issues concerning with the prototype building. First,

consider the fact that reinforced concrete frames in residential stories from the second to the top floor are

infilled with masonry walls, while in the ground story façade is made by glass (Fig. 3). During a seismic

event, the ground columns, without strengthening effects of infilled masonry walls that are present in the

stories above, are the most vulnerable and will be governed by shear-sliding mechanisms (or soft story

mechanism). In such a situation, the traditional approach using linear elastic analysis and ignoring any

effects of infilled masonry walls will not be applicable to simulate the seismic behaviour of the RC

building structures, particularly, the ground columns. Second, given the advantages by the use of L-

shaped and V- shaped columns, how those columns perform under a certain seismic condition and which

cross section can provide the best performance in three considerations: the serviceability limit states, the

ultimate limit states and the collapse state. These two issues motivate the present study.

3

Fig. 3. Test assumptions

3. Experimental programme

3.1 Design of test setup

Test setup is designed based on two assumptions. First, under seismic action reinforced concrete

frame from the second to the top floor is strengthened by infilled masonry walls so that the seismic

performance of the prototype building structure will solely be governed by the shear-sliding mechanism

of the ground columns. Second, with the presence of the upper building structure strengthened by infilled

masonry walls and the pile caps at the foundation level, the columns are rotationally restrained at both

top and bottom. Fig.4 illustrate the design of test setup. In each test, two identical column specimens will

be fully anchored to a rigid block (on the top) and shaking table (on the bottom). The rigid block will

create shear-sliding mechanism while its weight produces a constant axial load on each specimen to

simulate the gravity compression force.

Fig. 4. Design of test setup

Kết quả (Việt) 2:

EXPRERIMENT NGHIÊN CỨU hình dạng bất thường bê tông cốt thép CỘT chịu ACTION địa chấn * Trường Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam Đại học Quốc gia + Xây dựng Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Xuân-Huy Nguyen * Xuân-Dat Pham + Xuân-Chiểu Lương * * nguyenxuanhuy @ utc .edu.vn nhận: ... Tóm tắt. Bài báo này trình bày một chương trình thử nghiệm để tìm hiểu ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang về việc thực hiện địa chấn của hình dạng bất thường bê tông cốt thép (RC) cột. Năm nhóm mẫu vật đó là một phần tư của cột điển hình của một nguyên mẫu xây dựng trung tầng đã được thử nghiệm để thất bại bằng cách sử dụng bảng lắc. Thủ tục bốc được liền tăng tốc cho đến khi mặt đất đỉnh mẫu collapsed.The cấu trúc bài thi được thiết kế với diện tích mặt cắt tương tự nhưng chiều rộng mặt bích khác nhau và độ dày mặt bích. Các đặc điểm đáp ứng địa chấn của tất cả các mẫu vật như khả năng drift, khả năng hấp thụ năng lượng và cơ chế thất bại của mỗi nhóm mẫu được đánh giá, so sánh và thảo luận chi tiết. Dựa trên các dữ liệu thử nghiệm hiện nay, đề nghị thiết kế được cung cấp để hỗ trợ các kỹ sư thiết kế như cột hình dạng bất thường. Từ khóa: cột hình dạng không đều; địa chấn; bê tông cốt thép; ; lắc bảng; collaps; 1. Giới thiệu Trong cao tầng cốt tòa nhà bê tông, L và cột hình chữ V có thể được sử dụng có hiệu quả tại các góc của các đơn vị kiến trúc như văn phòng và nhà ở phòng. So với thông thường cột hình chữ nhật có diện tích mặt cắt ngang cùng, các cột hình dạng bất thường có hai lợi thế. Thứ nhất, mặt bích cột có thể được thiết kế đủ mỏng để họ được ẩn tốt ở xung quanh tường xây, đáp ứng yêu cầu kiến trúc nội thất và tiết kiệm không gian sử dụng nhiều hơn. Thứ hai, với tương đối lớn hơn mô đun đàn hồi thời điểm quán tính của mặt cắt, các cột này giúp tăng tổng thể độ cứng uốn của kết cấu xây dựng, làm giảm độ võng bên và câu chuyện drift tỷ lệ do tải trọng ngang như gió. Một bất lợi có thể với việc sử dụng L, cột hình chữ V là biểu diễn bài đàn hồi của họ trong sự kiện động đất cực. Trong điều kiện tải như vậy, có ứng suất nén tập trung gây ra từ thời điểm uốn kết hợp với các lực lượng trục có thể dẫn đến một trong hai địa phương thất bại hoặc mất ổn định của mặt bích trong nén, dẫn đến giảm đáng kể độ uốn độ cứng và sức mạnh. Bên cạnh đó, độ cứng ít xoắn và hành vi cắt tinh khiết của loại cột mà có thể dẫn đến sự sụp đổ đột ngột cũng là mối quan tâm chính trong các tòa nhà có độ lệch tâm cao. To-date Up-, một số lượng hạn chế của nghiên cứu thực nghiệm điều tra hành vi của cốt thép bê tông L , cột hình chữ V đã available.1, -8 Ramamurthy et al., 1 và Hsu, 2 báo cáo hai thử nghiệm hàng loạt trên hình chữ L cột dưới tác động uốn hai trục. Các mẫu cột hình chữ L được gắn ở cả hai đầu đã được thử nghiệm tĩnh đến thất bại. Nó đã được quan sát thấy rằng tất cả các mẫu thử nghiệm thất bại trong chế độ thất bại uốn khi một trong hai nghiền bê tông xảy ra gần các phần cột giữa chiều cao hoặc vết nứt nghiêm trọng xảy ra dọc theo chiều cao của các cột. Không twist của các mẫu vật bi-trục nạp quanh trục dọc được quan sát trong thời gian chạy thử nghiệm. Li et al., 3 thử nghiệm ten gắn ngắn hình chữ L cột bê tông cốt thép dưới sự kết hợp của trục không đổi và tải bên cyclic để điều tra các hoạt động địa chấn như cột hình dạng bất thường. Nó đã được quan sát thấy rằng các cột đã thất bại bởi một vết nứt dọc duy nhất mà chia chúng thành hai mặt bích riêng cùng các góc đường. Các tác giả giải thích chế độ thất bại tách này chủ yếu là do các hành vi cắt-chi phối của các mẫu thử trong phạm vi bài đàn hồi. Aman et al., 4 đã thực hiện một thử nghiệm quasi-static trên bốn cắt bê tông cốt thép tường với mặt cắt ngang hình chữ L dưới tác động đồng thời của trục và tải cyclic. Những bài kiểm tra mẫu vật có thể được phân loại như các cấu trúc bán đúc sẵn được xây dựng bằng các tấm đúc sẵn diễn xuất như hình thức cụ thể tại thời điểm xây dựng. Các tác giả cho rằng tất cả các mẫu vật đã thất bại trong uốn với bê tông nặng nghiền và oằn của cốt thép dọc ở các cạnh miễn phí của mặt bích song song với hướng tải bên. Bên cạnh đó, việc giảm sức mạnh của mẫu vật ở gần điểm thất bại là hơn rõ rệt bởi vì giá trị đỉnh của chu kỳ tải trọng bên giảm đáng kể. Trong bài báo này, một chương trình thử nghiệm để tìm hiểu ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt ngang trên hiệu địa chấn của L và V- hình cột bê tông cốt thép được trình bày. Mười mẫu vật đó là một phần tư của cột điển hình của một nguyên mẫu xây dựng trung tầng được xây dựng và tự động kiểm tra để thất bại bằng cách sử dụng bảng lắc. Các mẫu vật được thiết kế với diện tích mặt cắt ngang tương tự và cùng một lượng cốt thép nhưng chiều rộng mặt bích khác nhau và độ dày mặt bích. Các địa chấn đặc điểm đáp ứng của tất cả các mẫu vật như khả năng drift, khả năng hấp thụ năng lượng và sự thất bại cơ chế của mỗi nhóm mẫu được đánh giá, so sánh và thảo luận chi tiết. Dựa trên các dữ liệu thử nghiệm hiện nay, đề nghị thiết kế được đề xuất để giúp các kỹ sư thiết kế như vậy đột xuất các cột hình. 2. Vấn đề tuyên bố A chín tầng, 2 vịnh x 5 vịnh xây dựng bê tông cốt thép dân cư được chọn làm nguyên mẫu cấu trúc cho việc điều tra thực nghiệm. Trong tòa nhà này, các chức năng câu chuyện mặt đất như một quán cà phê với tất cả mặt tiền và phân vùng được thực hiện bởi kính trong khi những câu chuyện từ thứ hai đến đầu phục vụ cho dân cư mục đích nơi mặt tiền và tường ngăn căn hộ được thực hiện bởi 250 (mm) gạch dày. Điển hình kế hoạch cấu trúc và chức năng của các tầng căn hộ, được hiển thị trong hình. 1. Chiều dài bay trong và x- y- hướng là 6 (m), trong khi dầm đúc hẫng và tấm ở mặt trước (hành lang) và ở phía sau (ban công) của tòa nhà là 2 (m) chiều dài , kết quả là giá trị gần đúng của nội lực trong tất cả các cột chống đỡ. Fig. 1. Kế hoạch Kết cấu của mẫu thử nghiệm xây dựng khung bê tông cốt thép của tòa nhà được thiết kế nguyên mẫu theo mã tiếng Việt tương tự như Eurocodes. Thông tin thiết kế và kích thước của dầm và tấm được cho trong bảng Gió tải 2 Seismic load 2 Sống tải 2 chiều dày phôi thép 150 mm chiều Beam (WxD) 250 (mm) x500 (mm) Cột diện tích mặt cắt 950 / Nm gams 1.265 / 240 / Nm 640.000 (2 mm) Bảng. 1. Thiết kế thông tin về cấu trúc preototype Thiết kế của cột cắt ngang cho việc xây dựng nguyên mẫu được lựa chọn từ năm ứng cử viên như thể hiện trong hình. 2, bao gồm: hình vuông thông thường, L- và phần V- hình với mặt bích khác nhau độ dày. Tất cả các phần có tổng diện tích tương tự của 6400002mm cốt của 1% được phân bố đều dọc theo các cạnh vành đai. Phân tích sơ bộ đã chỉ ra rằng so với các phần vuông thông thường (# 2), việc sử dụng của những người thân L- và V- hình không chỉ đáp ứng yêu cầu kiến trúc nội thất ở mọi góc căn hộ nhưng cũng làm tăng đáng kể độ cứng bên tổng thể của tòa nhà đang được xem xét gió . Bảng 2 cho thấy các bên tối đa và cùng một lượng dọc 2 dịch chuyển gây ra bởi tải trọng gió, tải trọng động đất trong Y-hướng và diện tích sử dụng lưu tương ứng với từng phần cột ứng cử viên. Fig. 2. Ứng cột chéo phần Phần 1 Phần 2 Phần 3 disp Lateral. tại mái cấp, 33,8 m (mm) 67,0 65 31,8 25,4 16,6 lưu vùng sử dụng cho chín tầng (m2) 40,5 0 17,5 40,5 40,5 Bảng 2. Phân tích sơ bộ cho việc xây dựng nguyên mẫu Xét về thiết kế động đất, có hai vấn đề liên quan với xây dựng nguyên mẫu. Thứ nhất, xem xét thực tế là củng cố khung bê tông ở tầng căn hộ, từ thứ hai đến tầng trên cùng được infilled với những bức tường xây dựng, trong khi ở mặt tiền tầng trệt được làm bằng thủy tinh (Hình. 3). Trong một địa chấn sự kiện, các cột mặt đất, mà không cần tăng cường ảnh hưởng của tường xây infilled có mặt trong câu chuyện trên, dễ bị tổn thương nhất và sẽ được điều chỉnh bởi cơ chế cắt trượt (hoặc câu chuyện mềm cơ chế). Trong tình hình như vậy, các phương pháp truyền thống sử dụng phân tích đàn hồi tuyến tính và bỏ qua bất kỳ ảnh hưởng của tường xây infilled sẽ không được áp dụng để mô phỏng các hành vi địa chấn của RC kết cấu xây dựng, đặc biệt là, các cột đất. Thứ hai, đưa những lợi thế của việc sử dụng các L- hình và V- cột hình, làm thế nào những cột thực hiện theo một điều kiện địa chấn nhất định và có mặt cắt ngang có thể cung cấp hiệu suất tốt nhất trong ba cân nhắc: các quốc gia hạn bảo trì, các trạng thái giới hạn cuối cùng và tình trạng sụp đổ. Hai vấn đề thúc đẩy các nghiên cứu hiện nay. 3 hình. 3. giả định thử nghiệm 3. Chương trình thực nghiệm 3.1 Thiết kế các thiết lập thử nghiệm thiết lập thử nghiệm được thiết kế dựa trên hai giả định. Đầu tiên, dưới tác động địa chấn bê tông cốt thép khung từ thứ hai đến tầng trên cùng được củng cố bởi tường xây infilled để các địa chấn thực hiện các cấu trúc xây dựng mẫu thử nghiệm sẽ chỉ được điều chỉnh bởi cơ chế cắt trượt của cột mặt đất. Thứ hai, với sự hiện diện của các cấu trúc xây dựng trên củng cố bởi infilled tường xây và các cọc ở cấp cơ sở, các cột được luân phiên hạn chế ở cả trên và dưới. Hình 4 minh họa cho việc thiết kế các thiết lập thử nghiệm. Trong mỗi bài kiểm tra, hai mẫu cột giống nhau sẽ được neo đầy đủ đến một khối cứng (trên cùng) và bảng lắc (ở phía dưới). Các khối cứng nhắc sẽ tạo ra cơ chế cắt trượt trong khi trọng lượng của nó tạo ra một tải trọng trục cố định trên từng mẫu để mô phỏng các lực nén trọng lực. Fig. 4. Thiết kế các thiết lập thử nghiệm