Behavior of Reinforced Concrete Columns Retrofitted by External Steel Angle Collars under Axial Compression and Combined Axial Compression and Reversed Cyclic Loading

Abstract

In reinforced concrete (RC) buildings, damages in columns should be avoided during the earthquakes since they have less ductile inelastic behavior which can lead to proggressive damages and collapse of the structure. Researchers have developed several retrofitting techniques to improve the performance or ductility of RC columns. Concrete jacketing, steel jacketing, external strand prestressing, Fiber Reinforced Polymer (FRP) jacketing, and steel collar jacketing to name a few are among the developed retrofit approaches. In this study, a new retrofitting technique utilizing steel collars as external confinement is proposed. The aim of the study is to develop an effective, yet economical, and practical method to retrofit square, and rectangular, or even elongated RC column sections. Steel angle or L-shapep sections were used as collar elements, which were mounted externally at spacing surrounding the perimeter of the column to enhance the column’s strength, particularly its ductility. To achieve this objective, two phases of experimental program were carried out. In the first phase of the experimental program, fourteen concrete column specimens were built and tested under monotonic axial compressive load in order to study the impact of the proposed external retrofitting method to the strength and most importantly to the ductility enhancement of the columns. To study this effect, volumetric ratio of confining elements was set as the main parameter. Some stiffening techniques of the collars were also investigated to further examine the potential of the proposed method. The results indicated that the strength, and strain ductility of the retrofitted specimens were enhanced. An analytical model to predict the actual stress-strain curve of the columns confined by external steel angle collars was developed and verified against the experimental stress-strain data. The predictions were in good agreement with the experimental results. The peak stress, strain at peak stress and strains at 50 and 80 percent of the peak stress can be predictied reasonably well. A proposed calculation procedure for retrofit work is also introduced. It provides the need of additional external steel collars in order to meet the target of the column’s strength. The idea is to combine the confining stresses provided by internal confinement and external steel collars by taking the average proportionally to the influenced area. Comparisons with experimental data indicated that the proposed approach can predict with reasonable margins on the conservative side. In the second phase, five concrete column specimens were cast, and tested under combined axial compression, and quasi-static reversed cyclic lateral load. These tests were intended to investigate the performance of the retrofitted specimens under simulated earthquake load. The enhancement of strength, and ductility which lead to larger energy dissipation capacity are clearly identified. The acceptance criteria set by ACI 374.1-05 is also satisfied. Additionally, a proposed design procedure is also developed based on the limited data obtained from the second phase of the experimental program. The step-by-step design procedure accommodates the need of additional external steel angle collars to retrofit the existing column to improve its ductility. In conclusion, the proposed retrofitting method can be applied as an alternative solution on rehabilitation of seismically deficient square RC columns. ====================================================================================== Pada bangunan beton bertulang (BB), kerusakan kolom sebaiknya dihindari saat gempa karena perilaku in-elastis yang kurang daktail pada kolom dapat menyebabkan kerusakan progresif, dan keruntuhan struktur. Para peneliti telah mengembangkan banyak teknik retrofit untuk memperbaiki kinerja atau daktilitas kolom BB. Pembesaran penampang beton, penambahan baja lembaran / cincin, stran eksternal prategang, Fiber Reinforced Polymer (FRP), dan sabuk baja merupakan beberapa metode retrofit yang dikembangkan. Pada penelitian ini, diusulkan sebuah teknik baru menggunakan sabuk baja sebagai pengekang eksternal. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan metode retrofit untuk kolom BB bujursangkar, atau bahkan persegi panjang yang efektif, tapi ekonomis, dan praktis / mudah dilaksanakan. Profil baja siku atau L digunakan sebagai elemen sabuk, yang diaplikasikan secara eksternal mengelilingi keliling kolom BB dengan spasi tertentu untuk meningkatkan kekuatan, dan daktilitasnya. Untuk mencapai tujuan ini, dua fase ekperimen dilakukan. Pada fase pertama dari eksperimen, empat belas spesimen kolom beton dibuat dan, diuji tekan monotonik untuk menyelidiki pengaruh dari metode retrofit eksternal yang diusulkan pada peningkatan kekuatan, dan lebih penting lagi, terhadap peningkatan daktilitas dari kolom. Untuk mempelajari efek ini, rasio volumetrik dari elemen pengekang digunakan sebagai parameter utamanya. Beberapa teknik pengakuan sabuk baja juga dilakukan, untuk menyelidiki lebih jauh potensi dari metode ini. Hasil menunjukkan adanya peningkatkan kekuatan, dan daktilitas dari spesimen yang diretrofit. Sebuah metode analitis untuk memprediksi kurva hubungan tegangan-regangan aktual dari kolom yang dikekang secara eksternal oleh sabuk baja, dikembangkan dan diverifikasi terhadap data tegangan-regangan dari eksperimen. Hasil menunjukkan prediksi yang baik. Tegangan puncak, regangan pada regangan puncak, dan reganganregangan pada 50 dan 80 persen tegangan puncak dapat diprediksi dengan baik. Sebuah prosedur perhitungan untuk pekerjaan retrofit juga diperkenalkan. Prosedur ini memberikan kebutuhan dari tambahan sabuk baja eksternal untuk memenuhi target kekuatan kolom. Idenya adalah dengan mengkombinasikan tegangan-tegangan kekang yang disumbangkan oleh pengekang internal maupun eksternal dengan merata-ratakan nilainya secara proposional terhadap daerah yang dipengaruhi masing-masing. Perbandingan dengan data eksperimen mengindikasikan bahwa pendekatan yang diusulkan dapat memprediksi dengan marjin yang baik pada kecenderungan yang konservatif. Pada fase kedua, lima spesimen kolom beton dibuat dan diuji dengan kombinasi beban aksial dan lateral siklik bolak-balik quasi-static. Uji ini dilakukan untuk menyelidiki kinerja spesimen yang diretrofit terhadap simulasi beban gempa. Peningkatan kekuatan dan daktilitas yang berujung pada lebih besarnya kapasistas disipasi energi terlihat dengan jelas. Kriteria penerimaan dari ACI 374.1-05 juga terpenuhi. Sebagai tambahan, prosedur perencanaan juga dikembangkan berdasarkan data terbatas yang diperoleh dari eksperimen fase kedua. Prosedur perencanan langkah demi langkah mengakomodasi kebutuhan tambahan sabuk siku baja eksternal dalam meretrofit kolom untuk meningkatkan daktilitasnya. Pada akhirnya, dapat disimpulkan bahwa metode retrofit yang diusulkan dapat dipakai sebagai solusi alternatif pada rehabilitasi kolom BB yang tidak memenuhi persyaratan gempa