Resumen de Nonlinear analysis of unreinforced beam-column joints

Daniel Ricardo Salinas Guayacundo, Roberto T. León

• español

  Introducción- El Sistema estructural Pórticos de Concreto Reforzado (PCR) constituye una parte significativa del inventario de edificaciones en zonas sísmicamente activas en el mundo. Muchas de las edificaciones construidas antes de la década de los 80’s fueron diseñadas y construidas con poca, o ninguna consideración de cargas sísmicas. Cuando el nudo de concreto reforzado no se ha diseñado competentemente puede convertirse en el eslabón débil del sistemas de PCR. La presencia de nudos sin refuerzo, aun es común en países emergentes localizados en Asia y América Latina. Los nudos tienen un impacto significativo en el comportamiento de PCR. Las metodologías relacionadas con el análisis de nudos de concreto pueden catalogarse como aproximadas, o muy complejas, o de enfoque fenomenológico. Desafortunadamente la mayoría de ellas carece de la simplicidad, estabilidad, y practicidad requerida para evaluar el comportamiento de los nudos en PCR.  Este artículo presenta una alternativa analítica aplicable a este tipo de elementos estructurales.

  Objetivo- El propósito del presente artículo es presentar un método analítico modificado aplicable al análisis no lineal de nudos no reforzados en estructuras de PCR.

  Metodología- El método presentado se basa en el trabajo analítico y experimental encontrado en [1], el cual es modificado para seguir exactamente la nomenclatura de [2]. En el modelo analítico, el nudo es representado a través de: (1) elementos rígidos en cruz para idealizar la geometría del nudo, (2) un resorte rotacional con una curva empírica de comportamiento tetra-lineal localizado en la mitad de los elementos rígidos para representar el comportamiento en cortante del nudo, y (3) las vigas y columnas que llegan al nudos, son modeladas con análisis seccional basado en fibras, con 5 puntos de integración; con la finalidad de incorporar el comportamiento no-lineal de los elementos que llegan al nudo. El modelo propuesto fue implementado en la plataforma OpenSEES y al mismo tiempo se validó con el resultado de 13 ensayos de laboratorio encontrados en la literatura de nudos carentes de acero de refuerzo.

  Resultados- El modelo propuesto puede capturar adecuadamente la capacidad a cortante del nudo. Al comparar los resultados analíticos con 13 resultados de nudos de concreto encontrados en la literatura, se encontró una diferencia en la capacidad del 2% con una desviación estándar del 11%. En relación al comportamiento del nudo ante carga cíclica se observó que se captura en forma adecuada: la rigidez inicial, resistencia, degradación de la resistencia, rigidez de recarga y capacidad antes y después del pico de resistencia.

  Conclusiones- El método propuesto presenta una adecuada correlación con los resultados de laboratorio estudiados. La metodología propuesta competentemente captura la capacidad del nudo a cortante, a pesar de las modificaciones incorporadas, sin mencionar las incertidumbres asociadas a los materiales, resultados de laboratorio, y tolerancias. Se espera que el procedimiento presentado en el presente documento contribuya, de una forma práctica, en la incorporación de la flexibilidad del nudo en PCR diseñados primariamente para cargas gravitacionales.

• English

  Introduction- Reinforced Concrete Frames (RCF) constitute a significant portion of the building stock in areas with seismic hazard. Many older buildings of this type were designed and constructed with little or no consideration of lateral load effects. When not properly designed, the Beam-Column Joints (BCJ) can be the weak links in the RCF. Unreinforced BCJ are still quite prevalent in older-type construction especially in Asia and Latin America. The unreinforced BCJ are key components that have a significant impact on the structure’s behavior of RCF. Regarding the analytical approaches applicable to BCJ, the approaches range from simplified to more elaborate and phenomenological-oriented. Unfortunately, most of them lack of simplicity, numerical stability and practicality to robustly evaluate the performance of unreinforced BCJ. This paper presents an analytical approach to modeling unreinforced BCJ.

  Objective- The aim of this paper is to present a modified modeling approach to simulate the nonlinear behavior of unreinforced BCJ in RCF structures.

  Method- The approach presented is based on the model presented in [1]. The model was modified to follow the same nomenclature of the [2]. In the proposed approach, the BCJ subassembly is represented by (1) a set of rigid links placed in cross-shape are used to represent the joint geometry, (2) a zero-length element with an empirical quad-backbone curve, placed at the middle point of the rigid links, to represent the joint shear behavior, and (3) columns and beams elements modeled with fiber formulation and five integration points to capture the material nonlinearity of the elements that frame into the joint. The approach was implemented in the OpenSEES platform, and this was validated with 13 test results of unreinforced BCJ documented in the literature.

  Results- The proposed modelling approach can satisfactorily predict the joint shear capacity. A 2% difference and a standard deviation of about 11% were obtained when compared to 13 test results of unreinforced BCJ documented in the literature. In terms of cyclic behavior, the proposed modelling approach shown to adequately capture the initial stiffness, strength degradation, reloading stiffness, pre-capping, and post-capping capacity.

  Conclusions- The method proposed presents satisfactory agreement with the test results analyzed. Taking into account the minor modifications applied to the proposed method and the uncertainties associated with the materials, test measurements, test setup, and the tolerances, the proposed method can satisfactorily predict the unreinforced BCJ shear capacity in RCF structures. It is assumed that the procedures presented here will contribute in the incorporation of the unreinforced BCJ flexibility when modeling older-type RCF construction in a pragmatic manner.