Determining Plastic Hinge Length of High Performance RC Beams

Abstract

During earthquake concrete structures dissipate energy by deforming inelastically. The plastic deformation localized in a small zone namely the plastic hinge zone is critical for flexural members as it governs the load carrying and deformation capacities of the member. Pushover analysis, one method of nonlinear static analysis, is generally used in the assessment of existing buildings. In pushover analysis nonlinear hinge properties of each member should be addressed. The formation of a plastic hinge in structural member depends on both the structural member properties such as dimension and material properties. Due to the high non-linearity occurs in plastic hinge zone and restrictions by the time and cost especially in large tests, very limited knowledge has been obtained from the laboratory tests up to date. Moreover past studies showed that none of the existing empirical models is adequate for prediction of plastic hinge length. This study tries to investigate the problem numerically using Nonlinear Finite Element Modeling (FEM) approach by employing software package ABAQUS. To achieve this, a numerical model is generated and verified with existing experimental studies obtained from the literature, by comparing load deflection response and rotational capacity of the test elements. Parametric studies are performed to investigate the plastic hinge length in terms of material properties concrete and dimensions of the member. High performance concrete is selected to be as C50, C60 and C80 and dimension of the beams are determined as deep, intermediate and slender. With the calibrated FEM model, the extent of concrete crushing zone and rebar yielding zone are examined to define the plastic hinge length of the member.

Keywords

• High performance concrete,Plastic hinge length,Finite element analysis

Yüksek Dayanımlı Betonla Üretilmiş Kirişlerde Plastik Mafsal Boyunun Belirlenmesi

Abstract

Depremler sırasında betonarme yapılar elastik olmayan deformasyonlar yaparak yapıya gelen enerjiyi sönümlerler. Yapılarda bulunan eğilme elemanlarında oluşan plastik deformasyonlar plastik mafsal bölgesi olarak adlandırılan küçük bir bölgede oluşur ve bu bölge elemanın yük taşıma ve deformasyon kapasitesi için kritik öneme sahiptir. Statik itme (Pushover) yöntemi mevcut yapıların değerlendirilmesinde kullanılan doğrusal olmayan bir analiz yöntemidir. Bu yöntemde elemanların plastik mafsal özelliklerinin doğru tanımlanması çok önemlidir. Yapı elemanlarında oluşan plastik mafsal, yapı elemanlarının boyut ve malzeme özellikleriyle yakından ilgilidir.  Plastik mafsal uzunluğunun belirlenmesinde günümüze kadar birçok deneysel çalışmalar yapılmış fakat eleman boyutlarının büyüklüğü, deneysel imkânların yetersizliği ve yapı elemanlarının kompozit malzeme özellikleri sebebiyle sınırlı bilgi edinilebilmiştir. Bu çalışmada sonlu elemanlar modeli kurularak ABAQUS yazılımı yardımıyla plastik mafsal boyu belirlenmeye çalışılmıştır. Literatürden elde edilen deneysel çalışmalar sonlu elemanlar modeliyle yük-deplasman ve şekil değiştirme kapasiteleri ile doğrulanmıştır. Plastik mafsal boyunun belirlenmesi için kiriş boyutları kiriş davranışını değiştirecek şekilde kısa, orta ve narin olarak değiştirilmiş, kiriş malzemesi de yüksek dayanımlı betona uygun olarak C50, C60 ve C80 olarak belirlenmiştir. Kirişlerde oluşan yenilme çatlakları ve donatı akma uzunlukları analiz edilerek her bir kiriş için plastik mafsal boyu belirlenmiştir.

Keywords

• Yüksek dayanımlı beton,Plastik mafsal boyu,Sonlu elemanlar analizi

References

1. [1] Fenwick, R.C., Thom, C.W., Shear deformation in reinforced concrete beams subjected to inelastic cyclic loading. Research Report No: 279, Department of Civil Engineering, University of Auckland, 1982.
2. [2] Corley, G.W., Rotation capacity of reinforced concrete beams. ASCE J Struct Div. 1966; 121:146-92.
3. [3] Mattock, A.H., Discussion of rotational capacity of reinforced concrete beams by W. D. G. Corley. ASCE J Struct Div. 1967; 519:522-93.
4. [4] Priestley, M.J.N. and Park, R., Strength and ductility of concrete bridge columns under seismic loading. ACI Struct J. 1987; 61:76-84.
5. [5] Panagiotakos, T.B. and Fardis, M.N., Deformations of reinforced concrete members at yielding and ultimate. ACI Struct J. 2001; 135:48-98.
6. [6] Federal Emergency Management Agency. FEMA 356 Prestandart and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings. Washington DC, 2000.
7. [7] Park, R. and Paulay, T., Reinforced Concrete Structures. John Wiley & Sons, New York, 1975.
8. [8] Beeby, A.W., Ductility in reinforced concrete: why is it needed and how is it achieved. Structural Engineer. 1997; 311:318-75 (18).

9. [9] American Concrete Institute. Building Code Requirements for Structural Concrete, ACI 318-14, ACI, Detroit, MI, 2014.
10. [10] Wight, J.K., Macgregor JG. Reinforced Concrete Mechanics and Design, 5th Edition, 2012.