Appropriate transverse confinement can significantly improve strength, ductility and energy dissipation capacity of reinforced concrete columns, therefore enhancing their seismic resistance. This study is conducted to evaluate the seismic behaviour of concrete columns transversely confined by steel spirals, ties or fiber reinforced polymer (FRP) wrapping. In the experimental program of this study, fifteen circular concrete columns of 356 mm (14 in.) diameter and 1473 mm (58 in.) length were tested under lateral cyclic displacement excursions while simultaneously subjected to constant axial load thus simulating earthquake loads. Eight columns were solely confined by various amounts of steel spirals, while seven other columns containing only minimal steel spirals were retrofitted by external FRP wrapping. Test results revealed that the increased transverse confinement can improve the energy dissipation capacity, ductility, deformability and flexural strength of concrete columns. The required transverse confinement should also be enhanced with the increase of axial load level to satisfy certain seismic design criterion. A computation program was developed to conduct monotonic pushover analysis for confined concrete columns, which can predict the envelope curves of moment vs. curvature and shear vs. deflection hysteresis loops with reasonable accuracy for columns subjected to simulated seismic loading. Based on extensive numerical analysis, expressions were developed for the relationships between the amount of transverse confinement and different ductility parameters, as well as the strength enhancement of confined columns. Finally, design procedures to determine the amount of transverse confinement were developed for concrete columns to achieve a certain ductility target. The enhancement of flexural strength of columns due to transverse confinement was also evaluated.

Thesis (M.S. in civil engineering)--Washington State University, May 2010. / Title from PDF title page (viewed on June 23, 2010). "Department of Civil and Environmental Engineering." Includes bibliographical references (p. 90-91).

Thesis (M.S.)--Brigham Young University. Dept. of Civil and Environmental Engineering, 2005. / Includes bibliographical references (p. 101-102).

Slender structures are elegant aesthetically. The insufficiency in knowledge of the real resistance to buckling of very slender reinforced concrete columns leads to an exaggeration of the sizes of the columns. _The examples of concrete compression members cited and constructed in Industry on a global basis suggest that very slender columns have inherent safety both from the point of view of the ultimate strength and stability. The strengths of columns given. by the British codes would seem to be exceeded by many of the long slender reinforced concrete columns and struts which have been used Internationally. Both the theoretical and the experimental short term investigations have been carried out to establish the behaviour of hinged, very slender reinforced concrete columns at various stages'of axial loading. Forty three very slender reinforced concrete columns of two different square cross sections with two sizes of longitudinal reinforcements with lateral ties were cast. Slenderness rates, L A, were varied from 30 to 79. Special factors were obtained to relate the actual modulus of elasticity of concrete in columns at buckling failure to a knowledge of the initial modulus of elasticity of concrete in control cylinder specimens. Both theoretical and experimental graphs of load against moment, made dimensionless for critical sections of columns have been obtained. Dimensionless load-moment interaction diagrams using material failure as the criterion have been superimposed on these graphs to show considerable inherent material strength of the tested columns near buckling collapse failures. A theory using the fundamental approach has, been developed to predict the deflected shape and moments along the, heights of the columns at various stages of loading. The proposed theory predicts with good correlations the experimental deflections and moments of any loading stages of the columns. The theory has been used to obtain the required variables, to arrive at the initial predicted design loads of the investigated columns. Good correlations of the moments derived from observed strains have also been obtained. The developed theory predicts satisfactorily the buckling collapse loads of the columns. Although the theory has been derived for axially I loaded very slender reinforced concrete-columns, it seems to accept satisfactorily eccentricities of up to about 10 mm. This was confirmed after extensive comparisons of the theoretical buckling collapse loads with the applicable tests of other authors. Creep In the columns investigated was discovered to be one of the major factors for serious consideration. This was conclusively revealed from the observations on the last two very long term creep tests on columns. The actual safe sustained loads for these very slender columns of slenderness ratios, L/H, between 40 and 79 seem to be between 33% and 19% of the short term buckling collapse loads. The reduced modulus approach to predict the safe long term sustained loads seems to give reasonable values for L/H ratios of 40 and 50. The recommendations given for the proposed design of very slender reinforced concrete columns seem to be adequate and simple to use in practice. They are further simplified by the derivation of two equations for the reduction factors, R, for the slenderness ratios between 36 and 40 and between 40 and 79 respectively. The investigation has proved that very slender reinforced concrete columns are very dangerous structural members, as they tend to have violent buckling failures. Nevertheless, It must be prudent not to design against disaster at any cost. This Investigation seemed to have enhanced considerably knowledge of the design of very slender reinforced concrete columns. / Scientific Research Council

Tradicionalmente no reforço de pilares de concreto armado são empregados materiais já consagrados, como as chapas de aço, o próprio concreto armado, e, mais recentemente, o polímero reforçado com fibras (PRF). Porém existem ainda alguns problemas associados a estes materiais ou, mais especificamente, às técnicas utilizadas para promover o reforço, destacando-se a dificuldade de execução, comportamento frágil e perda de área útil em função do aumento da seção transversal do pilar original. Por outro lado, o desenvolvimento da tecnologia dos materias e a constante inovação tecnológica tem como resultado a oferta de uma grande variedade de materiais com características orientadas à solução de um determinado problema. Cita-se como exemplo o concreto reforçado com fibras de aço, inicialmente desenvolvido para aplicação em elementos submetidos à flexão, mas que apresenta atributos, que se bem explorados, são desejáveis para aplicação no reforço de pilares. Busca-se neste trabalho desenvolver estratégias e técnicas de reforço que busquem potencializar o aproveitamento de todos os atributos oferecidos pelos materiais comumente empregados e desenvolver um concreto reforçado com fibras de aço com diferentes comprimentos que possibilite sua aplicação no reforço de pilares. Os resultados da análise experimental demonstram que a escolha do material, da estratégia e técnica de reforço são fatores decisivos para aliar o melhor aproveitamento dos materiais empregados e o atendimento às exigências de projeto. Conclui-se ainda que a associação de fibras de aço de diferentes comprimentos possibilita a utilização do concreto reforçado com fibras no reforço de pilares de concreto, tendo como grande virtude a facilidade de execução, se comparado com o concreto armado. / Tradicionally the strengthening of reinforced concrete columns uses materials well known, such as steel plates, the reinforced concrete, and, more recently, fiber reinforced polymer (FRP). But there are still some problems associated with these materials, or more specifically, with the used techniques, specially the difficulty of implementation, brittle behavior and loss free space due to the increase of the original cross section of the column. On the other hand, the materials technology development and the constant innovation has resulted in the provision of a wide variety of materials with specifics caracteristics to solving a particular problem. For example, steel fiber reinforced concrete, originally developed for use in elements subject to bending, but it has some attributes, which if are well explored, are desirable for use in strengthening columns. This work presents the development of strategies and techniques that optimize the o use all the attributes offered by the commonly used materials, and develop a different lengths steel fiber reinforced concrete to enable its application on columns strengthening. The results of experimental analysis show that the choice of material, strategy and technique of strengtheningt is a key factor to combine the best use of the materials used and the design requirements. It is also concluded that the combination of steel fibers of different lengths allows the use of steel fibers reinforced concrete on the strengthening of concrete columns, with the great virtue of the ease of implementation, compared to the reinforced concrete.

Tradicionalmente no reforço de pilares de concreto armado são empregados materiais já consagrados, como as chapas de aço, o próprio concreto armado, e, mais recentemente, o polímero reforçado com fibras (PRF). Porém existem ainda alguns problemas associados a estes materiais ou, mais especificamente, às técnicas utilizadas para promover o reforço, destacando-se a dificuldade de execução, comportamento frágil e perda de área útil em função do aumento da seção transversal do pilar original. Por outro lado, o desenvolvimento da tecnologia dos materias e a constante inovação tecnológica tem como resultado a oferta de uma grande variedade de materiais com características orientadas à solução de um determinado problema. Cita-se como exemplo o concreto reforçado com fibras de aço, inicialmente desenvolvido para aplicação em elementos submetidos à flexão, mas que apresenta atributos, que se bem explorados, são desejáveis para aplicação no reforço de pilares. Busca-se neste trabalho desenvolver estratégias e técnicas de reforço que busquem potencializar o aproveitamento de todos os atributos oferecidos pelos materiais comumente empregados e desenvolver um concreto reforçado com fibras de aço com diferentes comprimentos que possibilite sua aplicação no reforço de pilares. Os resultados da análise experimental demonstram que a escolha do material, da estratégia e técnica de reforço são fatores decisivos para aliar o melhor aproveitamento dos materiais empregados e o atendimento às exigências de projeto. Conclui-se ainda que a associação de fibras de aço de diferentes comprimentos possibilita a utilização do concreto reforçado com fibras no reforço de pilares de concreto, tendo como grande virtude a facilidade de execução, se comparado com o concreto armado. / Tradicionally the strengthening of reinforced concrete columns uses materials well known, such as steel plates, the reinforced concrete, and, more recently, fiber reinforced polymer (FRP). But there are still some problems associated with these materials, or more specifically, with the used techniques, specially the difficulty of implementation, brittle behavior and loss free space due to the increase of the original cross section of the column. On the other hand, the materials technology development and the constant innovation has resulted in the provision of a wide variety of materials with specifics caracteristics to solving a particular problem. For example, steel fiber reinforced concrete, originally developed for use in elements subject to bending, but it has some attributes, which if are well explored, are desirable for use in strengthening columns. This work presents the development of strategies and techniques that optimize the o use all the attributes offered by the commonly used materials, and develop a different lengths steel fiber reinforced concrete to enable its application on columns strengthening. The results of experimental analysis show that the choice of material, strategy and technique of strengtheningt is a key factor to combine the best use of the materials used and the design requirements. It is also concluded that the combination of steel fibers of different lengths allows the use of steel fibers reinforced concrete on the strengthening of concrete columns, with the great virtue of the ease of implementation, compared to the reinforced concrete.

Os Polímeros Reforçados com Fibras (PRF) são materiais compósitos constituídos por fibras unidas por uma matriz polimérica. São leves, não corrosivos, possuem alta resistência à tração e são de simples execução. O PRF em forma de tecido é utilizado para envolver o pilar de concreto armado promovendo a restrição das deformações laterais pelo efeito de membrana. Nos pilares com seção transversal circular, esse efeito de membrana é desenvolvido ao longo de todo o seu perímetro. Já para seções quadradas ou retangulares, esse efeito de membrana se desenvolve apenas nos cantos arredondados, reduzindo, assim, a eficiência do confinamento. Por conta dessa limitação, esta pesquisa propõe a utilização de um mecanismo auxiliar constituído por tirantes transversais de aço ancorados por perfis longitudinais, que juntamente com o PRF vão promover o confinamento nos maiores lados de seções de pilares retangulares. Foram realizados ensaios experimentais de dez pilares de concreto, cujos resultados confirmaram o maior incremento de força e ductilidade nos pilares devido à presença dos tirantes, verificando também que os perfis longitudinais contribuem diretamente com a força axial no pilar. Por meio da análise numérica em elementos finitos foi possível observar o acréscimo de regiões de concreto efetivamente confinado devido à presença dos tirantes. Com a análise paramétrica realizada foram identificados os parâmetros e como eles influenciam no comportamento dos pilares reforçados com a técnica: a relação entre os lados da seção transversal, a taxa de PRF; a taxa de tirantes de aço e a rigidez do perfil de ancoragem. Por fim, foi desenvolvido um modelo analítico que possibilita calcular a parcela de força resistida pelo concreto confinado e pelos perfis de ancoragem de modo independente, indicando boas correlações com os resultados experimentais e numéricos. / Fiber Reinforced Polymers (FRP) are composite materials consisting of fibers bonded by a polymer matrix. They are lightweight, non-corrosive, have high tensile strength and simple to apply. The FRP jacket is used to wrap the concrete column and restrict the lateral expansion by the membrane effect. In columns with circular cross section, the membrane effect is developed along its entire perimeter. However, in square or rectangular sections this effect is only developed at the rounded corners, resulting in a decrease of the confinement efficiency. Due this limitation, this research proposes the use of an auxiliary mechanism made up of transverse steel ties anchored by longitudinal bars, which together with the FRP, promote confinement on the biggest sides of rectangular sections of columns. Experimental tests were carried out on ten concrete columns, whose results confirmed the greatest force increase and ductility due to the presence of the steel ties and that the anchor bars contribute directly with the axial force. Through the numerical analysis in finite elements methods it was possible to observe the effective confined concrete regions due to the presence of the ties. With the parametric analysis performed some parameters were identified and how they influence in behavior of columns reinforced with this technique: the relationship between the sides of the cross section; the PRF rate; the steel ties rate and the stiffness of the anchor bar. Finally, an analytical model was developed allowing calculate the force resisted by the confined concrete and the anchor bars forces independently, indicating good correlations with the experimental and numerical results.

[pt] Neste trabalho é feito o estudo da influência do cobrimento da armadura longitudinal e dos grampos suplementares na resistência de pilares de concreto submetidos à compressão excêntrica. Para este fim foram ensaiados pilares curtos, com armadura longitudinal contínua e pilares com emenda na armadura. Foi elaborado um modelo para o cálculo da distribuição da tensão normal e da tensão de aderência nas barras de emendas comprimidas que reproduziu bem o verificado experimentalmente. Mostra-se a importância da tensão de ponta na transmissão de forças na emenda. Se alerta sobre como a técnica normalmente empregada no reparo dos pilares onde as armaduras apresentam corrosão, que consiste na retirada parcial ou total do que restou do cobrimento para o tratamento e/ou substituição da armadura, e posterior reposição da camada de cobrimento, pode levar a ruptura do elemento por perda de aderência. Mostra-se como não colocar os grampos suplementares pode levar a perda da estabilidade do elemento. / [en] In this work, the influence of the longitudinal reinforcement cover and supplementary transversal reinforcement on the ultimate strength of the concrete columns under eccentric compression is studied. For this purpose, tests on short columns with continuum and lapped spliced bars were carried out. A theoretical model for the calculation of the stress and bond distributions on the splice length is proposed and tested with the experimental data of this work, showing a good agreement. The relevance of the end bearing effect on the transmission of the forces in the splice is shown. An alert again the usual technique used to repair the corroded bars inside the column, i.e., to remove partially or totally the remaining concrete cover to treat or substitute the damaged reinforcement bars, and lately to put back the concrete cover. This technique may provide the element failure by the lost of bond between the remaining concrete surface and reinforcement bars. It is shown how the absence of supplementary transversal reinforcement can lead to the instability of column.

A ABNT NBR 6118:2014 – Projeto de Estruturas de Concreto apresenta quatro métodos para dimensionamento de pilares, sendo necessário o uso de envoltórias de momentos quando houver flexão composta oblíqua. Devido à complexidade, não se considera de forma adequada a não linearidade física, a verificação de flexão composta oblíqua e as imperfeições geométricas locais. Este trabalho apresenta diretrizes para o dimensionamento de pilares retangulares de concreto com armadura simétrica, submetidos à flexão composta oblíqua, empregando-se as envoltórias mínimas e resistentes para verificação da armadura. São feitas análises de como as não linearidades influem no estado-limite último de instabilidade e como elas devem ser consideradas nos métodos de dimensionamento. São indicadas duas situações que podem ser críticas para o pré-dimensionamento. São elaborados roteiros para determinação das envoltórias solicitantes, para cada método de dimensionamento, e das envoltórias resistentes, por meio do cálculo direto ou com o uso de ábacos para flexão composta normal. Há, também, dois apêndices, um sobre a determinação dos diagramas momento fletor – força normal – curvatura para qualquer tipo de seção, e outro sobre obtenção dos diagramas de interação (Nu, Mu), construção de ábacos para flexão composta normal e definição da taxa mecânica de armadura ω, sem o uso de ábacos para concretos de classe até C50. Concluindo, este trabalho constitui uma bibliografia atualizada para o projeto de pilares seguros e economicamente viáveis, esclarecendo conceitos tais como momento fletor resistente, envoltórias solicitantes e resistentes e utilização das não linearidades nos métodos de dimensionamento. / The Brazilian Code ABNT NBR 6118:2014 – Design of concrete structures presents four methods for columns dimensioning, requiring the use of envelopment of moments when there is biaxial bending. Due to complexity, do not accurately consider physical nonlinearity, biaxial bending and local geometric imperfections. This work presents guidelines for the design of concrete rectangular columns with symmetrical reinforcement, subjected to biaxial bending, employing the minimum and resisting envelopment curves for the verification of the reinforcement. Analysis are made of how nonlinearities influence in the ultimate limit state of instability and how they should be considered in design methods. Two situations are indicated that can be critical for the pre-dimensioning of the reinforcement. Procedures are developed to determine the envelopment of acting moments, for each design method, as well as the envelopment of resisting moments by means of either direct method or use of abacuses for eccentrical compression. There is also two appendixes, one about the determination of the diagrams bending moment – normal force – curvature for any kind of section, and another one about getting interaction diagrams (Nu, Mu), construction of abacuses for eccentrical compression and definition of ω, the reinforcement mechanical rate, without the use of abacuses for C50 concrete class or below. In conclusion, this constitutes an updated bibliography for the safe and economically viable columns project, clarifying concepts such as resistant moment, envelopments of acting and resisting moments, and the use of nonlinearities in the design methods.

Este trabalho tem o objetivo de transmitir aos Engenheiros de Estruturas o conhecimento teórico necessário para o dimensionamento e detalhamento de pilares usuais de edifícios em concreto armado. A definição das posições dos pilares em uma estrutura, bem como uma estimativa da seção transversal dos mesmos são abordadas neste trabalho. O estudo da estabilidade global, realizado no Capítulo 3, nos permite avaliar se os deslocamentos ocorridos na estrutura em função das ações horizontais e verticais, geram esforços de segunda ordem consideráveis ou não. A instabilidade de pilares será comentada no Capítulo 5, bem como os Métodos desenvolvidos para avaliar se um determinado pilar é estável ou instável. O detalhamento de pilares segundo as prescrições do Texto Base para a revisão da NBR - 6118/78, bem como o desenvolvimento de exemplos de dimensionamento de pilares estão contidos neste trabalho nos Capítulos 7 e 8, respectivamente. / The objective of this work is to transrnit to the structural engineers the necessary theoretical knowledge for the design and detail of usual columns in reinforced concrete buildings. The definition of the columns positions in the structure, as well as an estimate of their cross section will be explained in this work. The global stability study, described in chapter 3, allows us to evaluate whether the deformations ocurred in the structure due to horizontal and vertical actions, cause considerable second order strength or not. The columns instability will be commented in chapter 5, as well as the methods developed to evaluate whether a specific column is stable or instable. The columns detail as prescribed in the Basic Text for the Revision of NBR - 6118/78, and also the development of examples for columns design are in chapter 7 and 8, respectively.