Variability of statistical parameters of resistance for reinforced concrete columns with circular cross-section

• Autorzy: Lutomirski Tomasz A. , Lutomirska Marta

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.137161

Warianty tytułu

PL

Zmienność statystycznych parametrów nośności kolumn żelbetowych o przekroju kołowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Columns perform a fundamental function in structures and studies on their reliability significantly impact structural safety. While the resistance and reliability models of rectangular reinforced concrete columns are addressed by many researchers, not much work has been done on the topic of columns with a circular cross-section. In this paper, a reliability model of resistance for circular reinforced concrete columns is formulated. A procedure for the representation of behaviour for short circular reinforced concrete eccentrically loaded columns is developed. It enables the consideration of many parameters including diameter of the column, concrete compressive strength, steel yielding strength, modulus of elasticity of steel, number of rebars, size of reinforcement, and position of bars in the cross-section given by the initial angle of rotation for the reinforcement. The representative design cases are selected for the most common four compressive strengths of concrete and five different reinforcement ratios. In total one hundred design cases are investigated. Statistical parameters of resistance, coefficient of variation and bias factor, are determined using the developed procedure and Monte Carlo simulations. A total of 10,000 full interaction diagrams of force and bending moment are generated for each design case. In each of the design cases, the failure zones are determined and the statistical parameters of resistance are calculated. The results are summarized in a table, presented in the forms of three-dimensional plots, and discussed. The study is performed based on American statistical data, materials and design codes.

PL

Celem niniejszej pracy jest wyprowadzenie paramentów statystycznych nośności dla krótkich okrągłych kolumn żelbetowych. Nośność okrągłych kolumn traktowana jako zmienna losowa, na którą wpływ ma zmienność materiałów, geometrii oraz niedoskonałości modeli obliczeniowych. Dla potrzeb pracy, sformułowany został analityczny model pracy mimośrodowo obciążonej okrągłej kolumny żelbetowej oraz opracowana została iteracyjna procedura numeryczna, przy pomocy której obliczana jest nośność kolumn oraz generowane są wykresy interakcji momentu i siły podłużnej. Procedura ta umożliwia uwzględnienie różych średnic słupów, wytrzymałości betonu na ściskanie, granicy plastyczności stali, modułu sprężystości stali, różnej ilości prętów, ich romiarów i położenia. Zmienność mimośrodu siły definiowana jest poprzez zmianę wielkości strefy ściskanej betonu. Obliczenia przeprowadzono dla wybranch reprezentacyjnych słupów okrągłych. W sumie przeanalizowano sto przypadków projektowych, różniących się między sobą rozmiarem słupa, ilością i rozmiarami pretów zbrojeniowych, wytrzymałością betonu na ściskanie (27.6 MPa [4 ksi], 41.4 MPa [6 ksi], 55.2 MPa [8 ksi], 82.7 MPa [12 ksi]) oraz stopniem zbrojenia (1, 2, 3, 4 i 5%). Następnie, na podstawie wygenerowanych krzywych interakcji, wykonano symulacje metodą Monte Carlo. Dla każdego przypadku projektowego zostało przeprowadzonych 10 000 symulacji, na podstawie których określono parametry statystyczne nośności dla każdego z punktów charakterystycznych wykresu interakcji. Widoczna jest zależność parametrów statystycznych od położenia na wykresie interakcji. Otrzymane wartość wskaźników zmienności VR oraz wartości stosunku wartości średniej do nominalnej λR - zaprezentowano w formie tabeli oraz trójwymiarowych wykresów. Wykresy obrazują zależność otrzymanych od wytrzymałości betonu na ściskanie, stopnia zbrojenia oraz odkszałceń w stali zbrojeniowej. Obserwuje się mniejszą zmienność wyników dla wyższych wartości wytrzymałości betonu. Czynnikiem mającym największy wpływ na wyniki jest stopień zbrojenia przekroju. Dla niskich stopni zbrojenia przekroju zmienność parametrów statystycznych wyraźnie rośnie, podczas gdy dla wysokch stopni zbrojenia przekroju wyniki stabilizują się dla różnych punktów wykresu interakcji. Praca została wykonana bazując amerykańskich danych statystycznych i materiałach oraz zgodnie z normą ACI 318-19.

Słowa kluczowe

EN

circular column; reinforced concrete; statistical parameter; resistance; reliability; variability

PL

słup okrągły; żelbet; parametr statystyczny; nośność; niezawodność; zmienność

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 2
• Strony: 165--180
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Lutomirski Tomasz A.

• Gaz-System S.A., Nieporęt, Rembelszczyzna, Poland

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

autor

Lutomirska Marta

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

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

Bibliografia

• [1] ACI 318-19, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, American Concrete Institute Farmington Hills, USA, 2019.
• [2] B. Ellingwood, T.V. Galambos, J.G. MacGregor, and C.A. Cornell, “Development of a Probability Based Load Criterion for American National Standard A58,” NBS Special Publication 577, Washington, DC, National Bureau of Standards, USA, 1980.
• [3] L. Galan, A. Vignoli, “Strength and Ductility of HSC and SCC Slender Columns Subjected to Short-Term Eccentric Load,” ACI Structural Journal, Title no.105-S25, pp 259-269, 2008.
• [4] L.H. Grant, S.A. Mirza, J.G. MacGregor, “Monte Carlo Study of Strength of Concrete Columns,” ACI Structural Journal, Title no.75-37, pp 348-358, 1978.
• [5] T. Lutomirski, “Reliability models for circular concrete columns,” Doctoral Dissertation, University of Nebraska, Lincoln, USA, 2009.
• [6] J.G. MacGregor, S.A. Mirza, B. Ellingwood, “Statistical Analysis of Resistance of Reinforced and Prestressed Concrete Members,” ACI Structural Journal, Title no. 80-16, pp 167-176, 1983
• [7] S.A. Mirza and J.G. MacGregor, “Variations in dimensions of reinforced concrete members,” Journal of The Structural Division, ASCE, Vol. 105, No. ST4, pp 751-766, 1979. https://doi.org/10.1061/JSDEAG.0005132
• [8] S.A. Mirza, J.G. MacGregor, “Variability of Mechanical Properties of Reinforcing Bars,” Journal of The Structural Division, ASCE, Vol. 105, No. ST5, pp 921-937, 1979. https://doi.org/10.1061/JSDEAG.0005146
• [9] S.A. Mirza, J.G. MacGregor, “Slenderness and Strength Reliability of Reinforced Concrete Columns,” ACI Structural Journal, Title no.86-S40, pp 428-438, 1989.
• [10] J. Murzewski, “Reliability of Engineering Structures” (in Polish), Arkady, Warsaw, Poland, 1989.
• [11] A.S. Nowak, M. Szerszeń, E.K. Szeliga, A. Szwed, and P.J Podhorecki, “Reliability-Based Calibration for Structural Concrete,” Phase 3, SN2849, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA, 2008.
• [12] A.S. Nowak, A.M. Rakoczy, and E.K. Szeliga, “Revised statistical resistance models for R/C structural components,” American Concrete Institute, SP-284-6 1-16, USA, 2011.
• [13] A. S. Nowak and K.R. Collins, “Reliability of Structures,” CRC Press Taylor and Francis Group, Boca Raton, USA, 2013.
• [14] M.M. Szerszeń, A. Szwed, A.S. Nowak, “Reliability Analysis for Eccentrically Loaded Columns," ACI Structural Journal, Vol. 102, No. 5, pp 676-688, 2005.
• [15] M.M. Szerszeń, A.S Nowak, “Calibration of Design Code for Buildings (ACI 318) Part 2: Reliability Analysis and Resistance Factors”, ACI Structural Journal, Vol. 100, No. 3, pp 383-391, 2003. https://doi.org/10.14359/12614
• [16] Sz. Woliński, K. Wrobel, “Reliability of Engineering Structures” (in Polish), Publishers of Rzeszow Technical University (Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej), 2001.
• [17] W. Zhou, H.P. Hong, “Modeling Error of Strength of Short Reinforced Concrete Columns,” ACI Structural Journal, Title no. 97-S46, pp 427-435, 2000.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).