Resistance model for confined circular reinforced concrete columns under eccentric loads

• Autorzy: Lutomirska Marta , Szwed Aleksander , Łuszczyńska Aneta Krystyna , Lutomirski Tomasz Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.151914

Warianty tytułu

PL

Model nośności okrągłych skrępowanych słupów żelbetowych pod wpływem obciążeń mimośrodowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Circular reinforced concrete columns with spiral reinforcement exhibit an increased ductility and resistance due to the confinement effect. Many experimental investigations and theoretical studies related to this topic are focused on columns under axial load, while those for eccentric load are seldom. The scope of the paper is to present a developed calculation model of resistance for eccentrically loaded confined circular concrete columns. The model assumptions extend procedures of the ACI and Eurocode to the confined concrete case. In order to determine the resistance of columns in the form of the force-moment interaction diagrams, a special procedure is elaborated and described in detail. The peak stress and corresponding strain for axially loaded confined concrete is calculated using the Richart’s model. Then, an increase of ultimate strength capacity due to confinement is related to the axial strain level. The more the eccentricity, the less the confinement effect is engaged in the column resistance. The contribution of spiral reinforcement in the bearing capacity is the greatest in concentrically loaded columns and it vanishes at the point where axial strain in the concrete column is equal to zero, which initially governed the beneficial effect of the spiral reinforcement. A sample interaction diagram is obtained for the selected design case and compared with the diagram for unconfined column.

PL

Uzwojone słupy żelbetowe, dzięki efektowi skrępowania betonu, wykazują zwiększoną nośność oraz poprawę własności plastycznych. Ich zdolność do znacznych odkształceń przed osiągnięciem nośności jest szczególnie ważna na terenach sejsmicznych. Korzystny wpływ skrępowania po raz pierwszy został opisany przez A. Considére ponad 100 lat temu. Kolejne badania w tej dziedzinie dotyczyły między innymi wpływu ilości uzwojenia, klasy betonu, czasu przyłożenia obciążenia, stosowania zbrojenia niemetalicznego czy nowych modeli nośności. Zdecydowana większość badań, zarówno teoretycznych i eksperymentalnych, koncentruje się na ściskaniu osiowym. Badania uwzględniające różne wartości mimośrodu należą do rzadkich. Celem niniejszego artykułu jest zaprezentowanie opracowanego modelu obliczeniowego nośności przekroju skrępowanych słupów o przekroju kołowym z uwzględnieniem rosnącego mimośrodu, umożliwiającego wygenerowanie wykresów interakcji siły i momentu zginającego. W przedstawionym modelu maksymalne naprężenia i odkształcenia dla betonu skrępowanego, odpowiadające przypadkowi osiowego ściskania, obliczane są na podstawie modelu Richarta. Następnie, wpływ skrępowania na nośność słupa zostaje uzależniony od odkształceń w osi słupa εA. Dzięki temu spada on wraz ze wzrostem mimośrodu i zanika dla odkształceń w osi słupa równych zero. Wówczas początkowo znaczna wytrzymałość na ściskanie betonu skrępowanego fcc i odpowiadające jej odkształcenie εcc osiągają wartości jak dla betonu nieskrępowanego fco i εco. Podstawą opracowanego modelu są założenia prostokątnego rozkładu naprężeń ściskających w betonie, zgodności odkształceń oraz idealnej przyczepności między zbrojeniem a betonem, linowo sprężysta, a następnie idealnie plastyczna zależność pomiędzy naprężeniami a odkształceniami dla zbrojenia podłużnego, oraz sprężysto-plastyczna dla zbrojenia spiralnego przy rozciąganiu. Odkształcenie poprzeczne betonu skrępowanego jest trudne do dokładnego oszacowania. Przy wzrastającym obciążeniu, początkowo wartość współczynnika Poisson dla betonu pozostaje stała i wynosi 0.2. Przy wartości naprężenia równej w przybliżeniu 0.8 fco, zaczyna ona gwałtownie rosnąć do wartości odpowiadającej materiałowi nieściśliwemu, czyli 0.5. W związku z powyższym, dla potrzeb modelu, odkształcenie w zbrojeniu spiralnym εsL przyjęto równe połowie osiowego odkształcenia w słupie εA. Przedstawiona procedura generowania wykresów interakcji umożliwia uwzględnienie różnych średnic słupów, wytrzymałości betonu na ściskanie, granicy plastyczności stali, modułu sprężystości stali, ilości prętów, ich rozmiarów i położenia.

Słowa kluczowe

EN

circular column; confinement; interaction diagram; spiral reinforcement; reinforced concrete; resistance model

PL

model nośności; skrępowanie; słup okrągły; słup uzwojony; wykres interakcji; żelbet

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 4
• Strony: 631--647
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., il.

Twórcy

autor

Lutomirska Marta

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9673-0432

autor

Szwed Aleksander

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7746-8221

autor

Łuszczyńska Aneta Krystyna

• student Auburn University, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Auburn, Alabama, USA

• https://orcid.org/0009-0004-2795-2033

autor

Lutomirski Tomasz Andrzej

• Gaz-System S.A., Nieporęt, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6527-1045

Bibliografia

• [1] C.-C. Hou and W.-Z. Zheng, “Review of studies on concrete columns confined by lateral reinforcement under axial compression and lateral cyclic loading”, Structural Concrete, vol. 24, no. 3, pp. 3592-3619, 2023, doi:10.1002/suco.202200522.
• [2] Y.-S. Kim, S.-W. Kim, J.-Y. Lee, J.-M. Lee, H.-G. Kim, and K.-H. Kim, “Prediction of stress-strain behavior of spirally confined concrete considering lateral expansion”, Construction and Building Materials, vol. 102, pp. 743-761, 2016, doi:10.1016/j.conbuildmat.2015.11.017.
• [3] A. Considére, Resistance a’la compression du beton arme et du beton frette. Paris, France: Le Genie Civil, 1903.
• [4] F. E. Richart, A. Brandzaeg, and R. L Brown, “A study on the failure of concrete under combine compressive stress”, University of Illinois Bulletin, Engineering Experimental Station, vol. 185, 1928.
• [5] A. Kuryłło, “Nowe doświadczenia ze słupami uzwojonymi”, Inżynieria i Budownictwo, no. 11, 1952.
• [6] H. Rüsch and S. Stöckl, “Versuche an wendelbewehrten Stahlbetonsäulen unter kurz und langzeitig wirkenden zentrischen Lasten”, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, vol. 205, 1969.
• [7] S. Stöckl and B. Menne, “Versuche an wendelbewehrten Stahlbetonsäulen unter exzentrischer Belastung”, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, vol. 251, pp. 1-66, 1975.
• [8] A.B. Nowakowski, “Badania piaskobetonowych słupów uzwojonych pod obciążeniem doraźnym”, Inżynieria i Budownictwo, no. 8, 1986.
• [9] T. Godycki-Ćwirko, P. Korzeniowski, and K. Nagrodzka-Godycka, “O skuteczności uzwojenia w słupach żelbetowych”, Inżynieria i Budownictwo, no. 12, 1999.
• [10] P. Korzeniowski, Żelbetowe słupy uzwojone: badania i teoria. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 2000.
• [11] B. Grzeszykowski and E.D. Szmigiera, “ Experimental investigation on the vertical ductility of rectangular CFST columns loaded axially”, Materials, vol. 15, no. 6, pp. 1-26, 2022 doi:10.3390/ma15062231.
• [12] C. Zhou, Z. Chen, Z. Huang, and L. Cai, “Behavior of reinforced concrete columns with double spirals under axial and eccentric loads”, Journal of Building Engineering, vol. 51, art. no. 104280, 2022, doi:10.1016/j.jobe.2022.104280.
• [13] W. Chang and W.-Z. Zheng, “Lateral response of HPC confined by both spiral stirrups and CFRP under axial compression”, Materials and Structures, vol. 54, art. no. 81, 2021 doi:10.1617/s11527-021-01629-6.
• [14] A.S. Sheikh and M.T. Toklucu, “Reinforced concrete columns confined by circular spirals and hoops”, Journal of the American Concrete Institute, vol. 90-S56, pp. 542-553, 1993.
• [15] J.-J. Zeng, Y.-Y. Ye, and W.-T. Liu, “Behaviour of FRP spiral-confined concrete and contribution of FRP longitudinal bars in FRP-RC columns under axial compression”, Engineering Structures, vol. 281, no. 4, 2023, doi: 10.1016/j.engstruct.2023.115747.
• [16] M. Wydra, M. Włodarczyk, and J. Fangrat, “Nonlinear analysis of compressed concrete elements reinforced with FRP bars”, Materials, vol. 13, no. 19, pp. 1-16, 2020, doi:10.3390/ma13194410.
• [17] R. Suhail, G. Amato, and D.P. McCrum, “Active and passive confinement of shape modified low strength concrete columns using SMA and FRP systems”, Composite Structures, vol. 251, art. no. 112649, 2020, doi:10.1016/j.compstruct.2020.112649.
• [18] E.K.Z. Balanji, M.N. Sheikh, and M.N.S. Hadi, “Behaviour of high strength concrete columns reinforced with steel fibres under different eccentric loads”, ACI Structural Journal, vol. 114, no. 4, 2017, doi:10.14359/51689781.
• [19] M.M. Szerszen, A.S. Nowak, and A. Szwed, “Reliability-based resistance of eccentrically loaded columns”, in US- Poland Workshop on Diagnosis of Concrete Materials and Structures for Infrastructure Facilities. Warsaw, 2004, pp. 145-150.
• [20] M.M. Szerszen, A.S. Nowak, and A. Szwed, “Reliability-based sensitivity analysis of RC columns resistance”, presented at 9th International Conference on Structural Safety and Reliability, ICOSSAR 2005, Rome, 2005.
• [21] A. Szwed, M. M. Szerszeń, and A.S. Nowak, “Wyznaczenie współczynników nośności do projektowania słupów mimośrodowo ściskanych według amerykańskiej normy ACI 318”, in Pięćdziesiąta Jubileuszowa Konferencja Naukowa KILiW PAN KN PZITB, vol. 3. Krynica, 2004, pp. 83-90.
• [22] M.M. Szerszen, A. Szwed, and A.S. Nowak, “Reliability analysis for eccentrically loaded columns”, ACI Structural Journal, vol. 102, no. 5, pp. 676-688, 2005.
• [23] T. Lutomirski, “Reliability models for circular concrete columns”, PhD dissertation, University of Nebraska, Lincoln, USA, 2009.
• [24] T.A. Lutomirski and M. Lutomirska, “Variability of statistical parameters of resistance for reinforced concrete columns with circular cross-section”, Achieves of Civil Engineering, vol. 67, no. 2, pp. 165-180, 2021 doi:10.24425/ace.2021.137161.
• [25] T.A. Lutomirski and M. Lutomirska, “Strength reduction factor for circular reinforced concrete columns”, ACI Structural Journal, vol. 119, no. 4, pp. 303-310, 2022, doi:10.14359/51734653.
• [26] M. Lutomirska and Sz. Lutomirski, “Cracks in circular reinforced concrete columns occurring during the construction process”, Procedia Engineering, vol. 153, pp. 419-426, 2016, doi:10.1016/j.proeng.2016.08.144.
• [27] A. Łuszczyńska, “Resistance of unconfined and confined circular reinforced concrete columns according to ACI”, M.A. thesis, Warsaw University of Technology, 2023.
• [28] J.B. Mander, M.J. Priestley, and R. Park, “Theoretical stress-strain model for confined concrete”, ASCE Journal of Structural Engineering, vol. 114, no. 8, pp. 1804-1826, 1988.
• [29] ACI 318-19 Building Code Requirements for Structural Concrete. Farmington Hills, Michigan: American Concrete Institute, 2019.
• [30] PN-EN-1992-1-1:2008 Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings.
• [31] A.M. Abd El Fattah, “Behavior of concrete columns under various confinement effects”, PhD dissertation, Kansas State University, 2012.