357
The Pennsylvania State University The Graduate School Department of Civil and Environmental Engineering COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEELJACKETED BRIDGE PIER COLUMN PERFORMANCE UNDER BLAST LOADS A Thesis in Civil Engineering by Edward V. O’Hare © 2011 Edward V. O’Hare Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science August 2011

COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

  • Upload
    others

  • View
    14

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

The Pennsylvania State University 

The Graduate School 

Department of Civil and Environmental Engineering 

COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL‐JACKETED 

BRIDGE PIER COLUMN PERFORMANCE UNDER BLAST LOADS 

 

A Thesis in 

Civil Engineering 

by 

Edward V. O’Hare 

© 2011 Edward V. O’Hare 

 

Submitted in Partial Fulfillment 

of the Requirements 

for the Degree of 

Master of Science 

 

August 2011 

 

Page 2: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 ii  

The thesis of Edward V. O’Hare was reviewed and approved* by the following:  

Daniel G. Linzell Shaw Professor of Civil Engineering Thesis Advisor  

Farshad Rajabipour Assistant Professor of Civil and Environmental Engineering  

Eric S. Musselman Assistant Professor of Civil Engineering Special Signatory 

Peggy Johnson Professor of Civil and Environmental Engineering Head of Department of Civil and Environmental Engineering 

*Signatures are on file in the Graduate School. 

   

Page 3: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 iii  

Abstract 

Due to recent malicious acts on civil structures, blast resistant design of bridges has 

become an important area of research.   Bridge engineers have a unique challenge to 

consider security in the design process due to the valuable assets that our country’s 

infrastructure facilitates and its inherent vulnerability.  This thesis summarizes the process 

of investigating a steel jacket retrofit for circular reinforced concrete bridge pier columns 

to increase their resistance against blast loads.  A parametric study utilizing computational 

models that are validated against available theoretical and experimental data was used to 

accomplish this objective.  Although limited experiments have been completed on steel‐

jacketed columns subjected to blast, a parametric study investigating the variation in 

critical parameters has not been completed to date.  Therefore, a 2k factorial design was 

used to evaluate four critical steel‐jacketed bridge column parameters at minimum and 

maximum values.  Relevant results from this study were used to observe the sensitivity of 

parameter variation on three critical failure modes, which were:  direct shear, flexure, and 

transverse shear.  From these observations parameter characteristic recommendations 

were offered which were shown to be advantageous in resisting undesirable brittle failure 

modes and encouraging more ductile failure modes.  Results from this study may also be 

used as a basis for validation of future physical blast testing of steel‐jacketed bridge 

columns. 

    

Page 4: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 iv  

Table of Contents List of Figures ......................................................................................................................... vii List of Tables  .......................................................................................................................... xii Acknowledgments ................................................................................................................. xiii Chapter 1  Introduction ....................................................................................................... 1 

1.1  Background ............................................................................................................................................... 1 1.1.1  General Information ..................................................................................................................... 1 1.1.2  Bridge Column Retrofit ............................................................................................................... 2 

1.2  Problem Statement ................................................................................................................................ 5 1.3  Objectives ................................................................................................................................................... 5 1.4  Scope ............................................................................................................................................................ 5 1.5  Summary .................................................................................................................................................... 8 

Chapter 2  Literature Review ............................................................................................... 9 

2.1  Overview .................................................................................................................................................... 9 2.2  Blast Analysis Methods ........................................................................................................................ 9 2.3  Blast Loading ......................................................................................................................................... 15 2.3.1  Air Blast Characteristics .......................................................................................................... 15 2.3.2  Blast Wave Propagation Programs ..................................................................................... 18 

2.4  Relevant Model Assumptions, Parameters, and Materials ................................................ 20 2.4.1  Common Blast Modeling Assumptions ............................................................................. 21 2.4.2  Blast and Seismic Model Parameters ................................................................................. 24 2.4.2.1  Common Blast Parameters .............................................................................................................. 24 

2.4.2.2  Common Steel‐Jacketed Pier Seismic Parameters ................................................................. 26 

2.4.3  LS‐DYNA Material Models ....................................................................................................... 27 2.5  Relevant Research Findings ............................................................................................................ 32 2.5.1  Blast Resistant Results ............................................................................................................. 32 2.5.2  Steel‐Jacketed Column Seismic Resistance Results ..................................................... 37 

2.6  Summary ................................................................................................................................................. 39 Chapter 3  Parametric Studies............................................................................................ 41 

3.1  Overview ................................................................................................................................................. 41 3.2  Test Variables ........................................................................................................................................ 41 3.3  Constant Parameters .......................................................................................................................... 42 3.4  Varied Parameters .............................................................................................................................. 47 3.4.1  Column Aspect Ratio (L/D) .................................................................................................... 48 3.4.2  Transverse Reinforcement Ratio (ρs) ................................................................................ 49 3.4.3  Steel Jacket Diameter‐to‐Thickness Ratio (tj/D) ........................................................... 50 3.4.4  Steel Jacket Gap Distance‐to‐Diameter Ratio (Lg/D) ................................................... 51 

3.5  Parameter Limits ................................................................................................................................. 52 

Page 5: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 v  

3.6  Parametric Matrix ............................................................................................................................... 53 3.7  Additional Parametric Considerations ....................................................................................... 57 3.8  Summary ................................................................................................................................................. 58 

Chapter 4  Finite Element Modeling ................................................................................... 60 

4.1  Overview ................................................................................................................................................. 60 4.2  Finite Elements ..................................................................................................................................... 60 4.3  Constraints and Boundary Conditions ....................................................................................... 61 4.4  Material Models .................................................................................................................................... 67 4.5  Summary ................................................................................................................................................. 69 

Chapter 5  Model Validation .............................................................................................. 71 

5.1  Overview ................................................................................................................................................. 71 5.2  Static Validation ................................................................................................................................... 71 5.2.1  Concentric Axial Quasi‐Static Load Validation ............................................................... 71 5.2.2  Combined Axial‐Flexural Quasi‐Static Load Validation ............................................. 77 

5.3  Dynamic Blast Validation ................................................................................................................. 85 5.4  Summary ................................................................................................................................................. 95 

Chapter 6  Parametric Study Results .................................................................................. 97 

6.1  Overview ................................................................................................................................................. 97 6.2  Direct Shear Results ........................................................................................................................... 97 6.2.1  Axial Cross‐section Strain Profiles .................................................................................... 101 6.2.2  Normalized Direct Shear ....................................................................................................... 111 

6.3  Parameter Variation Effects on Direct Shear ......................................................................... 113 6.3.1  Aspect Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain .................................................... 114 6.3.2  Transverse Reinforcement Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain ........... 116 6.3.3  Jacket Thickness Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain ................................ 118 6.3.4  Jacket Gap Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain ............................................ 121 6.3.5  Aspect Ratio Effects on Normalized Direct Shear ....................................................... 123 6.3.6  Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalized Direct Shear ............. 125 6.3.7  Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Direct Shear .................................. 126 6.3.8  Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Direct Shear ............................................... 129 

6.4  Flexure Results ................................................................................................................................... 130 6.4.1  Moment and Rotation Diagrams ........................................................................................ 132 6.4.2  Normalized Moment‐Rotation ............................................................................................ 137 

6.5  Parameter Variation Effects on Flexure................................................................................... 142 6.5.1  Aspect Ratio Effects on Moment and Rotation ............................................................ 142 6.5.2  Transverse Reinforcement Ratio Effects on Moment and Rotation ................... 145 6.5.3  Jacket Thickness Ratio Effects on Moment and Rotation ........................................ 146 6.5.4  Jacket Gap Ratio Effects on Moment and Rotation ..................................................... 149 6.5.5  Aspect Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation ........................................... 152 6.5.6  Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalize Moment‐Rotation ..... 155 

Page 6: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 vi  

6.5.7  Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation ....................... 157 6.5.8  Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation .................................... 159 

6.6  Transverse Shear ............................................................................................................................... 160 6.6.1  Transverse Strain Profiles .................................................................................................... 161 

6.7  Parameter Variation Effects on Transverse Shear .............................................................. 167 6.7.1  Aspect Ratio Effects on Average Transverse Strain ................................................... 167 6.7.2  Transverse Reinforcement Ratio Effects on Average Transverse Strain ......... 169 6.7.3  Jacket Thickness Ratio Effects on Average Transverse Strain .............................. 171 6.7.4  Jacket Gap Ratio Effects on Average Transverse Strain ........................................... 173 

6.8  Additional Parametric Results ..................................................................................................... 175 6.8.1  Steel Jacket Base Fixity Effects on Blast Resistance .................................................. 175 6.8.2  Steel Jacket Retrofitting Effects on Blast Resistance ................................................. 183 

Chapter 7  Conclusions .....................................................................................................190 

7.1  Overview ............................................................................................................................................... 190 7.1.1  Recommended Steel‐Jacketed Bridge Column Details to Resist Specific Failure Modes  190 7.1.2  Recommended Steel‐Jacketed Bridge Column Details to Resist Blast Loads . 197 7.1.3  Recommendations for Future Research ......................................................................... 199 

References   ........................................................................................................................201 Appendix A  Axial Cross‐section Strain Profiles ....................................................................207 Appendix B  Direct Shear Comparisons ................................................................................304 Appendix C  Moment and Rotational Diagrams ...................................................................312 Appendix D  Moment‐Rotation Capacity Curves ..................................................................328 Appendix E  Transverse Strain Profiles ................................................................................337 

   

Page 7: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 vii  

List of Figures 

Figure                                Page Number 

Figure 1.1:     Typical Steel Jacket Retrofit (Washington State DOT, 2010) .................................... 2 Figure 2.1:     Mach Front Region (Winget et al., 2005) ......................................................................... 16 Figure 2.2:     Typical Blast Pressure‐Time Graph (Sriram et al., 2006) ........................................ 17 Figure 2.3:     Propped‐Cantilever ................................................................................................................... 21 Figure 2.4:     Moment‐Axial Load Interaction Diagram ........................................................................ 22 Figure 2.5:     Test Set‐Up (Fujikura et al., 2008) ..................................................................................... 26 Figure 2.6:     Material 72 Failure Surfaces (Malavar et al., 1997) .................................................... 28 Figure 2.7:     CSCM Yield Surface (LSTC, 2007) ....................................................................................... 29 Figure 2.8:     LS‐DYNA Material Type 3 (LSTC, 2007) .......................................................................... 30 Figure 2.9:     Proposed DIF for ASTM A615 Steel Reinforcing Bar (Malvar, 1998) ................. 32 Figure 2.10:     Direct Shear Model (Fujikura & Bruneau, 2008) ...................................................... 35 Figure 2.11:     Direct Shear Model Comparison (ACI, 2008) .............................................................. 36 Figure 3.1:     Moment Diagram of Plastic Hinge Analysis for Blast‐loaded Column (Williamson et al., 2010) .................................................................................................................................... 44 Figure 3.2:     Blast Damage Threshold (FHWA, 2003) .......................................................................... 46 Figure 3.3:     Parametric Model Label Definition .................................................................................... 54 Figure 4.1:     Model Parts:  a.) Steel Jacket, b.) Cover Concrete, c.) Core Concrete, d.) Reinforcement, e.) Entire Model, f.) Cross‐Section ................................................................................. 62 Figure 4.2:  Nodal Compatibility Constraint .............................................................................................. 63 Figure 4.3:     *CONSTRAINED _LAGRANGE_IN_SOLID Constraint ................................................... 64 Figure 4.4:  Column to Foundation Constraint ......................................................................................... 66 Figure 4.5:  Construction Joint Boundary Condition .............................................................................. 67 Figure 5.1:     Concentric Load .......................................................................................................................... 72 Figure 5.2:     Todeschini Curve (Wight & MacGregor, 2009) ............................................................. 73 Figure 5.3:     Theoretical Force‐Displacement Determination Process ........................................ 75 Figure 5.4:     Force‐Displacement Curve Comparison .......................................................................... 76 Figure 5.5:     a.) Column normal vertical stress contours, b.) Reinforcing steel axial force contours ..................................................................................................................................................................... 77 Figure 5.6:     Combined Axial and Flexural Load .................................................................................... 78 

Page 8: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 viii  

Figure 5.7:     Typical Axial‐Moment Interaction Diagram for Circular Columns (Wight & MacGregor, 2009) .................................................................................................................................................. 78 Figure 5.8:     Modified Compression Field Theory Layered Model (Vecchio & Collins, 1988) ....................................................................................................................................................................................... 79 Figure 5.9:     Modified Compression Field Theory Concrete and Steel Material Models (Vecchio & Collins, 1988) ................................................................................................................................... 80 Figure 5.10:     Theoretical Axial‐Moment Diagram ................................................................................ 81 Figure 5.11:     Model Data Points ................................................................................................................... 82 Figure 5.12:     Axial‐Moment Interaction Comparison ......................................................................... 84 Figure 5.13:     MCEER Report 08‐0028 Column SJ2 Blast Damage (Fujikura & Bruneau, 2008) ........................................................................................................................................................................... 86 Figure 5.14:     Initial Blast Validation Model ............................................................................................. 87 Figure 5.15:     Initial Blast Validation Damage ......................................................................................... 88 Figure 5.16:     Modified Blast Validation Model ...................................................................................... 88 Figure 5.17:     Blast Validation Model with Foundation Base Deflection Graph ....................... 90 Figure 5.18:     Experimental Base Damage (Fujikura & Bruneau, 2008) ..................................... 90 Figure 5.19:     Blast Validation Model with Foundation Pier Cap Gap Opening Graph .......... 91 Figure 5.20:     Experimental Bent Damage (Fujikura & Bruneau, 2008) ..................................... 92 Figure 5.21:     Final Blast Validation Model .............................................................................................. 92 Figure 5.22:     Base Deflection Comparison .............................................................................................. 93 Figure 5.23:     Pier Cap Gap Opening Comparison ................................................................................. 94 Figure 6.1:     Cross‐section Locations .......................................................................................................... 99 Figure 6.2:     Direct Shear Resistance ......................................................................................................... 100 Figure 6.3:     8_a0v1j1g1 Direct Shear at Base ....................................................................................... 100 Figure 6.4:     Reported Base Steel Jacket Strains ................................................................................... 101 Figure 6.5:     Cross‐sectional Strain Profile Definition ....................................................................... 102 Figure 6.6:     8_a0v1j1g1 Axial Cross‐section Strain Profiles .......................................................... 104 Figure 6.7:     3_a0v0j1g0 Axial Cross‐section Strain Profiles .......................................................... 106 Figure 6.8:     Longitudinal Reinforcement Axial Strain Comparison at Base ............................ 109 Figure 6.9:     Steel Jacket Axial Strain Comparison at Base .............................................................. 110 Figure 6.10:     Direct Shear Capacity Model Load Definition ........................................................... 111 Figure 6.11:     8_a0v1j1g1 Direct Shear Comparison at Base .......................................................... 112 Figure 6.12:     Normalized Direct Shear Comparison ......................................................................... 113 Figure 6.13:     Aspect Ratio Effects on Longitudinal Bar Axial Cross‐Section Strain Profiles at Base ...................................................................................................................................................................... 115 

Page 9: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 ix  

Figure 6.14:     Aspect Ratio Effects on Steel Jacket Axial Cross‐Section Strain Profiles at Base ........................................................................................................................................................................... 116 Figure 6.15:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Longitudinal Bar Axial Cross‐Section Strain Profiles at Base ....................................................................................................................... 117 Figure 6.16:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Steel Jacket Axial Cross‐Section Strain Profiles at Base ........................................................................................................................................ 118 Figure 6.17:     Jacket Thickness Ratio Effects on Long Bar Cross‐Sectional Strain Profiles for Columns without Gap ........................................................................................................................................ 119 Figure 6.18:     Jacket Thickness Ratio Effects on Long Bar Cross‐Sectional Strain Profiles for Columns with Gap ............................................................................................................................................... 120 Figure 6.19:     Jacket Thickness Ratio Effects on Steel Jacket Cross‐Sectional Strain Profiles ..................................................................................................................................................................................... 121 Figure 6.20:     Jacket Gap Ratio Effects on Long Bar Cross‐Sectional Strain Profiles ............ 122 Figure 6.21:     Jacket Gap Ratio Effects on Steel Jacket Cross‐Sectional Strain Profiles ....... 123 Figure 6.22:     Aspect Ratio Effects on Normalized Direct Shear for Column without Gap 124 Figure 6.23:     Aspect Ratio Effects on Normalized Direct Shear for Column with Gap ....... 125 Figure 6.24:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalized Direct Shear .......... 126 Figure 6.25:     Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Direct Shear............................... 127 Figure 6.26:     2_a0v0j0g1 and 4_a0v0j1g1 Normalized Direct Shear Comparison ............... 128 Figure 6.27:     Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Direct Shear ........................................... 130 Figure 6.28:     4_a0v0j1g1 and 11_a1v0j1g1 Moment Diagrams ................................................... 133 Figure 6.29:     4_a0v0j1g1 and 11_a1v0j1g1Rotation Diagrams .................................................... 133 Figure 6.30:     Moment Diagram Comparison ........................................................................................ 135 Figure 6.31:     Rotation Diagram Comparison ........................................................................................ 136 Figure 6.32:     Moment‐Rotation Capacity Model Load Definition ................................................ 137 Figure 6.33:     4_a0v0j1g1 Static Moment‐Rotation Capacity Curve ............................................ 138 Figure 6.34:     Normalized Moment‐Rotation Comparison .............................................................. 139 Figure 6.35:     4_a0v0j1g1 Flexure Capacity Analysis Axial Force Time History for Longitudinal Bars at Base ................................................................................................................................ 140 Figure 6.36:     4_a0v0j1g1 Direct Shear Capacity Analysis Axial Force Time History for Longitudinal Bars at Base ................................................................................................................................ 141 Figure 6.37:     14_a1v1j0g1 Moment‐Rotation Capacity Analysis Axial Force Time History for Longitudinal Bars at Base ......................................................................................................................... 142 Figure 6.38:     Aspect Ratio Effects on Moment ..................................................................................... 143 Figure 6.39:     Blast Effects on Double Curvature ................................................................................. 143 Figure 6.40:     Aspect Ratio Effects on Rotation .................................................................................... 144 

Page 10: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 x  

Figure 6.41:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Moment ........................................... 145 Figure 6.42:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Rotation ........................................... 146 Figure 6.43:     Jacket Thickness Ratio Effects on Moment for Columns without Gap ........... 147 Figure 6.44:     Jacket Thickness Ratio Effects on Moment for Columns with Gap .................. 147 Figure 6.45:     Jacket Thickness Ratio Effects on Rotation ................................................................ 149 Figure 6.46:     Jacket Gap Ratio Effects on Moment ............................................................................. 150 Figure 6.47:     Column 8_a0v1j1g1 Base Hinge Formation ............................................................... 150 Figure 6.48:     Jacket Gap Ratio Effects on Rotation for Columns with Low Aspect Ratios 151 Figure 6.49:     Jacket Gap Ratio Effects on Rotation for Columns with High Aspect Ratio.. 152 Figure 6.50:     Aspect Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation ........................................ 153 Figure 6.51:     Aspect Ratio Effects for Outliers on Normalized Moment‐Rotation ............... 154 Figure 6.52:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation ..................................................................................................................................................................................... 155 Figure 6.53:     Transverse Reinforcement Ratio Effects for Outliers on Normalized Moment‐Rotation ................................................................................................................................................................... 156 Figure 6.54:     Moment‐Rotation Capacity Comparison for Outliers ............................................ 157 Figure 6.55:     Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation for Columns without Gap ............................................................................................................................................................ 158 Figure 6.56:     Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation for Columns with Gap ................................................................................................................................................................... 159 Figure 6.57:     Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation ................................ 160 Figure 6.58:     Transverse Strain Profile Definition ............................................................................. 161 Figure 6.59:     9_a1v0j0g1 Average Transverse Strain Time History .......................................... 162 Figure 6.60:     2_a0v0j0g1 Transverse Strain Profile .......................................................................... 163 Figure 6.61:     9_a1v0j0g1 Transverse Strain Profile .......................................................................... 164 Figure 6.62:     Hoop Average Transverse Strain Comparison ......................................................... 165 Figure 6.63:     Steel Jacket Average Transverse Strain Comparison ............................................ 166 Figure 6.64:     Aspect Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain ................................... 168 Figure 6.65:     Aspect Ratio Effects on Steel Jacket Transverse Strain ........................................ 169 Figure 6.66:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain ..................................................................................................................................................................................... 170 Figure 6.67:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Steel Jacket Average Transverse Strain ......................................................................................................................................................................... 170 Figure 6.68:     Jacket Thickness Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain .............. 172 Figure 6.69:     Jacket Thickness Ratio Effects on Steel Jacket Average Transverse Strain .. 172 

Page 11: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 xi  

Figure 6.70:     Jacket Gap Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain ........................... 174 Figure 6.71:     Jacket Gap Ratio Effects on Steel Jacket Average Transverse Strain .............. 174 Figure 6.72:     Steel Jacket Fixity Effects on Longitudinal Bar Axial Cross‐section Strain at Base ........................................................................................................................................................................... 176 Figure 6.73:     Steel Jacket Bearing and Prying ...................................................................................... 177 Figure 6.74:     Steel Jacket Fixity Effects of on Steel Jacket Axial Cross‐section Strain at Base ..................................................................................................................................................................................... 178 Figure 6.75:     Steel Jacket Fixity Effects on Normalized Direct Shear at Base ........................ 179 Figure 6.76:     Steel Jacket Fixity Effects on Moment .......................................................................... 180 Figure 6.77:     Steel Jacket Fixity Effects on Rotation .......................................................................... 181 Figure 6.78:     Steel Jacket Fixity Effects on Normalized Moment‐Rotation ............................. 182 Figure 6.79:     Plastic Strain Damage Contours – a.) Model 10 steel jacket, b.) Model 10 concrete inside jacket, c.) Model 10_Unjacketed ................................................................................... 184 Figure 6.80:     Steel Jacket Retrofitting Effects on Longitudinal Bar Axial Cross‐section Strain at Base ......................................................................................................................................................... 185 Figure 6.81:     Steel Jacket Retrofitting Effects on Normalized Direct Shear ............................ 186 Figure 6.82:     Overall Steel Jacket Retrofitting Effects on Moment .............................................. 187 Figure 6.83:     Overall Steel Jacket Retrofitting Effects on Normalized Moment .................... 188 

Page 12: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 xii  

List of Tables 

Table                                   Page Number 

Table 2.1:     Comparison of Analysis Methods (Winget et al., 2005) .............................................. 13 Table 2.2:     Column Parameters (Williamson et al., 2010) ................................................................ 25 Table 3.1:     Bridge Column Parameters ..................................................................................................... 41 Table 3.2:     Parameter Limits ......................................................................................................................... 52 Table 3.3:     Constant Column Parameters ................................................................................................ 53 Table 3.4:     Parametric Matrix ‐ Column and Jacket Details.............................................................. 55 Table 3.5:     Parametric Matrix ‐ Transverse Reinforcement Details ............................................. 56 Table 3.6:     Parametric Matrix ‐ Longitudinal Reinforcement Details .......................................... 57 Table 7.1:     Desired Result Effects .............................................................................................................. 190 Table 7.2:     Parameter Variation Recommendations to Resist Direct Shear ........................... 192 Table 7.3:     Steel Jacket Bearing and Retrofitting Recommendations to Resist Direct Shear ..................................................................................................................................................................................... 193 Table 7.4:     Recommendations to Enhance Flexure Resistance .................................................... 194 Table 7.5:     Steel Jacket Bearing and Retrofitting Recommendations to Enhance Flexure Resistance ............................................................................................................................................................... 195 Table 7.6:     Recommendations to Resist Transverse Shear Failure ............................................ 196 

 

   

Page 13: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 xiii  

Acknowledgments 

First and foremost I would like to thank my family for their love, support and 

understanding throughout this research process. My family is truly an inspiration to me 

and gives me strength to persevere. My wife Paola’s encouragement and support have been 

essential in my success.  Her unwavering commitment to me and the children have allowed 

us to endured long days, weeks and months as I have pursued this graduate degree.  I am 

also grateful my family and friends back home for their support. 

I would also like to thank my advisor Dr. Daniel G. Linzell for his patience, support 

and encouragement throughout this research process.  I am grateful for his feedback which 

encouraged me to think critically about research and allowed me to grow as a student and 

engineer.  I would also like to thank other faculty in the department, including Dr. Jeffery 

Laman, Dr. Andrew Scanlon and Dr. Gordon Warn, who offered their advice and time 

throughout my educational experience.  I would like to thank my advisor and these faculty 

members for their continued support and for giving me the tools to pursue a graduate 

degree.  Finally, I am grateful for the support of my fellow graduate students, including 

Zachary Gabay, Gautham Ganesh Prasad, Shane Murphy, Shi Liu and Todd Rasey.

Page 14: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 1  

Chapter 1 Introduction 

1.1 Background 

1.1.1 General Information 

Recent attacks on civil structures and the threat of similar attacks on existing 

infrastructure provoke a need to better understand design processes and retrofit options 

that will help resist these events.  Much of the current knowledge on this subject involves 

building performance against blast loads.  Therefore, there is a need for research and 

guidance related to bridge performance and design against such loads. 

The threat on our country’s bridges is real and demonstrated through many arrests 

that have been made in recent years.  In July 2002, three men were arrested in Spain who 

had close ties with al‐Qaeda.  In their possession were video tapes of San Francisco’s 

Golden Gate Bridge and the World Trade Center towers (CNN‐News, 2002).   In June 2003, 

an Ohio truck driver was arrested for conspiring with al‐Qaeda’s top leaders to cut the 

Brooklyn Bridge’s suspension cables (Arena, 2003).  This trend toward targeting surface 

transportation systems is examined in Mineta Transportation Institute Report #97‐04 

(Jenkins, 1997).  This report compiles in chronological order terrorist attacks from 1920 – 

1997.  The report states that bombing is the most common terrorist tactic and that bridges 

make up 6% of the targets. 

Pier systems are possibly the most critical and vulnerable component of bridges 

according to Williamson, et al (2006).  Loss of a pier could result in collapse of multiple 

spans and possibly the entire bridge.  Their inherent exposure, dictated by traditional 

Page 15: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 2  

bridge site layout, which typically locates them close to travel lanes and public access, 

increases their vulnerability to these malicious acts.  Therefore, experimental and 

computational validation of retrofit effectiveness and resulting flexural and shear, 

response, along with assessment of predicted damage levels and their mitigation after any 

retrofitting is pursued, should be conducted. 

This thesis discusses the retrofit option of using a steel jacket to improve the blast 

resistance of circular reinforced concrete bridge pier columns.  Jacketing consists of 

surrounding a column with steel plates formed and welded along a vertical seam into a 

single cylinder.  The plates are oversized leaving a gap between the steel jacket and the 

column which is then filled with grout to develop a jacket‐to‐column bond, thereby forming 

a composite system (Chai et al., 1994).  Steel jackets are typically terminated 50 mm (2”) 

before both the top of the footing and pier cap to prevent the jacket from bearing on the 

footing and producing increased moment demand on these adjoining members.  Figure 1.1 

demonstrates a typical steel jacket retrofit for a pier column. 

 

Figure 1.1:     Typical Steel Jacket Retrofit (Washington State DOT, 2010) 

1.1.2 Bridge Column Retrofit 

Page 16: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 3  

Traditionally steel jackets have been used in seismic zones as a retrofit for in‐situ 

bridge pier columns that do not meet conventional seismic design standards.  Steel jackets 

have been used to retrofit circular, square, and rectangular columns.  Many state 

Departments of Transportation (DOTs) have completed research in this area, with 

California on the forefront of conventional seismic design standards. 

In the 1980’s the California Department of Transportation (Caltrans) implemented 

an assessment and retrofit program for bridges that did not meet conventional seismic 

design standards (Chai et al., 1994).  Most of these inadequately detailed bridges were 

constructed prior to the 1971 San Fernando Earthquake and commonly used No. 4 (12.7‐

mm‐diameter) hoops at 305 mm (12”) center‐to‐center spacing regardless of column 

height.  This percentage of transverse reinforcement results in inadequate column ductility 

with respect to conventional seismic design load criteria.  Lack of ductility in pre‐1971 

detailing was also caused by inadequate lap‐splice length of the longitudinal steel (Chai et 

al., 1994).  The typical lap length of 20 times the bar diameter was not sufficient to develop 

the full yield strength of the reinforcement.  The Caltrans retrofit program initiated steel‐

jacket research which focused on the ductility and stiffness enhancement of bridge columns 

under base excitation.   

Steel jackets were used extensively for retrofitting inadequate columns to increase 

the percentage of transverse reinforcement and to provide adequate confinement of the 

column concrete, which increased column ductility.  Steel jackets were also used to combat 

inadequate lap‐splice length by increasing ductility and flexural capacity of the columns.  

Although traditional steel jacket research has assessed the enhancement of bridge pier 

Page 17: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 4  

columns against base excitation, their effectiveness against impulsive loading usually 

associated with blast loads is still not well understood. 

The behavior of steel‐jacketed bridge columns subjected to blast loads was predicted 

in computational research conducted by Winget et al. (2005).  As shown in traditional 

seismic research, steel jackets increase the flexural stiffness of the column.  As the flexural 

stiffness of the column increases the shear at the supports also increases.  Although not 

modeled in the research, Winget et al. (2005) predicted that under blast steel‐jacketed 

columns would not provide the necessary shear resistance needed to overcome the higher 

shear forces produced by the increase in flexural stiffness.  Similar inadequate steel‐

jacketed column shear resistance was calculated in research evaluating bridge columns 

under multihazard events (Fujikura et al., 2008). 

The possible shear failure predictions of Winget et al. (2005) were substantiated by 

experimental research conducted by the University of Buffalo (Fujikura & Bruneau, 2008).  

This case study examined the blast resistance of bridge piers that were designed according 

to conventional seismic design standards.  As series of experiments were conducted on ¼ 

scale typical reinforced concrete bridge columns, half of which were retrofitted with steel 

jacketing.  The retrofitted reinforced concrete columns did not exhibit ductile behavior and 

failed in direct shear at the base of the column by fracturing all the longitudinal bars.  The 

gap between the steel jacket and the footing at the base of the column that intended to 

prevent bearing of the jacket on the footing produced a discontinuity of shear resistance 

and contributed to the direct shear failure mode.  These experiments have shown that 

adhering to seismic design criteria for blast resistant steel jackets produces a brittle failure 

failure mode, rather than the preferred ductile failure mode of flexural yielding produced 

Page 18: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 5  

under seismic loads.  However, no work has been completed to study this topic 

parametrically to observe if the steel jackets could be detailed to improve retrofitted 

column shear performance. 

1.2 Problem Statement 

Pier columns are an extremely essential and vulnerable component in a bridge’s 

structural system, and if one fails complete collapse of multiple spans and possibly the 

entire structure can result.  There exists a need to further examine the effectiveness of 

retrofit options such as steel jackets for providing adequate protection to bridge pier 

columns subjected to the increasingly realistic threat of blast loads.  Studies completed to 

date have examined bridge components under blast loads, including experiments on steel‐

jacketed bridge columns, but have not parametrically shown if steel jackets could be 

detailed to increase bridge column blast performance. 

1.3 Objectives 

The primary objective of this study was to computationally investigate the 

effectiveness of a steel jacket retrofit on circular reinforced concrete bridge pier columns 

against blast loads through a parametric study.  The secondary objective was to provide a 

basis of validation for future physical testing of this retrofit option. 

1.4 Scope 

The scope of this study was to investigate the use of steel jackets for circular bridge 

pier columns against blast loads.  To investigate the steel jacket retrofit option a parametric 

study was conducted using finite element (FE) models.  These computational models were 

Page 19: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 6  

created and validated against theoretical column performance and published physical blast 

test data.  After model validation they were subjected to simulated blast loads.  The results 

of the steel jacket retrofit were then accessed through examination of the produced data 

(summarized below) and recommendations on retrofit effectiveness were offered.  The 

following list of tasks were followed to fulfill the objectives of this investigation. 

1. Literature Review: 

This task served three purposes.  The first was to investigate and compare 

current practices of computational analyses to choose the most effective method 

for this study.  The second purpose was to investigate the current state‐of‐the art 

in bridge blast and seismic resistant design to validate the need for investigating 

the steel jacket retrofit option and identify important parameters.  The last 

purpose was to find and apply current steel jacket proportioning limits to initially 

size the specimens that were examined against blast loads.   

2. Computational Modeling: 

Coupled FE models of steel‐jacketed bridge pier columns, that included 

influential reflective surfaces (i.e. the ground), were created in LS‐DYNA with 

appropriate blast loads being generated using CONWEP, a blast load function that 

is integrated into LS‐DYNA.  Model parameters include: 

• Commonly used DOT bridge column aspect ratios; 

• Explicit transverse reinforcement ratios; 

• Variations in steel jacket thickness‐to‐diameter ratios; and 

• Variations in steel jacket gap distance‐to‐diameter ratios. 

3. Model Validation: 

Page 20: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 7  

To validate the computational models, bare and steel‐jacketed concrete 

column models were generated and compared to theoretical column performance 

and published experimental blast testing research.  Experimental blast 

information came from MCEER technical report 08‐0028 (Fujikura & Bruneau, 

2008).  This work, which investigated the blast performance of seismically 

detailed bridge columns including steel‐jacketed columns, was used to validate 

the computational models through comparison of deformed shape and 

deflections.    

4. Steel­Jacketed Columns Computational Study: 

Once the models were validated, the models were subjected to simulated blast 

loads.  The analyses’ output data was then be compiled and organized.  Relevant 

results used to assess the sensitivity of steel‐jacketed column parameter variation 

in resisting brittle shear failure modes and encouraging a ductile flexural failure 

mode include: 

• Axial cross‐section strain profiles for longitudinal reinforcement and steel 

jackets; 

• Normalized direct shear; 

• Moment and rotation diagrams; 

• Normalized moment‐rotation plots; and 

• Transverse strain profiles for hoop reinforcement and steel jackets. 

5. Computational Result Comparisons and Recommendations: 

After the analyses’ data was compiled, the results were compared to assess the 

sensitivity of column parameter variation on increasing or decreasing their 

Page 21: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 8  

resistance to respective failure modes.  Finally, utilizing the result comparisons, 

recommendations were offered pertaining to the critical column parameter 

characteristics that were observed to resist brittle shear failure modes and 

encourage a ductile flexural failure mode. 

1.5 Summary 

Due to recent attacks on civil structures and arrests that have occurred, there exists 

an urgent need to protect our country’s infrastructure.  The response of bridge pier 

columns to blast loads was an identified area of needed research related to the resilience of 

these structures against possible terrorist threats.  Hardening of circular reinforced 

concrete bridge pier columns was the focus of this research due to their prevalence and 

vulnerability.    Since steel jackets are commonly used in seismic zones to harden bridge 

columns against base excitation, this retrofit was studied to assess its effectiveness against 

blast loads.  Computational models were used in a parametric study to obtain results for 

various steel jacketing scenarios and those results were analyzed and compared against 

published physical data and one another to offer retrofit recommendations. 

   

Page 22: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 9  

Chapter 2 Literature Review 

2.1 Overview 

This literature review focused on three areas.  The first was to investigate and 

compare studied approaches for computational analysis of pier columns under dynamic 

loads, including blast.  Since the effectiveness of the retrofit option was determined entirely 

through computational means, analysis accuracy greatly influences the study results.  The 

second focus of this literature review was to investigate the current state‐of‐the art in 

bridge blast and seismic resistance design to substantiate the need for investigating the 

steel jacket retrofit option and identify important model and result parameters.  The final 

focus was to investigate the current use of steel jackets for seismic retrofits to assist with 

developing initial jacket proportions and to assess possible blast strengthening 

contributions.   

To accomplish these objectives, literature related to blast resistance and seismic steel 

jacket retrofitting was examined and discussed.  Results and findings that were relevant to 

developing reliable computational models to examine steel jacket retrofit effectiveness 

under blast loads were also presented and were organized as follows:   

• Blast Analysis Methods;  

• Blast Loading;  

• Relevant Model Assumptions, Parameters, and Materials; and 

• Relevant Research Findings. 

2.2 Blast Analysis Methods 

Page 23: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 10  

The first purpose of this literature review was to explore possible analysis methods to 

correctly represent circular steel‐jacketed reinforced concrete pier columns and their 

response to blast loads.  This section discusses the various analysis options and compares 

their advantages and disadvantages to select an appropriate method for this case study.   

There were three common analysis categories that could be utilized to achieve a 

spectrum of result accuracy for a range of problem types.   

• Uncoupled vs. Coupled 

• Static vs. Dynamic 

• Single‐degree‐of‐freedom (SDOF) vs. Multiple‐degree‐of‐freedom (MDOF) 

Uncoupled methods require two analyses.  One analysis calculates the blast loads and 

one calculates the structural response.  In contrast, coupled analyses account for the effects 

of structural response in conjunction with the fluid dynamics behavior of an explosion.  

Static analysis is independent of the rate of loading, while dynamic analysis is dependent 

on the rate of loading.  Degrees of freedom (DOF) are defined as the number of 

independent displacements and rotations required to define the displacement positions of 

all the masses relative to their original position (Chopra, 2007).  As the names suggest, 

SDOF systems have only one required displacement (usually lateral displacement) to 

define the model’s deformed position, whereas MDOF systems have multiple required 

displacements to define the model’s deformed positions.  

There were several analysis options for bridge blast research.  They ranged from 

SDOF dynamic analysis to finite element models (FEM) that couple the effects of blast loads 

and structural response.  The most common analysis method was a SDOF or MDOF 

Page 24: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 11  

nonlinear dynamic uncoupled analysis.  Loads are determined using a blast wave 

propagation program and then applied to the structure through pressure‐time histories to 

obtain the structural response from a dynamic analysis.  However, if the blast environment 

is extremely altered during the loading period a more advanced, coupled analysis may be 

necessary.analysis was an accurate tool to predict the intensity and location of deformation 

in the columns given a specific standoff distance, charge, and height (Fujikura et al., 

2008)(Fujikura et al., 2008).  Table 2.1 was reproduced from a case study by Winget et al 

(2005) and compares the advantages and disadvantages of each category of analysis, 

ranging from simple uncoupled static SDOF problems to more complex coupled dynamic FE 

problems.  In general, when comparing levels of analysis there is a tradeoff between the 

faster simplified analyses, which tend to produce overly conservative results, and the 

slower complex analyses, which produce more accurate results but are characterized by 

cumbersome input and output files.  In the case study by Winget et al, (2005), dynamic 

uncoupled SDOF models were selected to examine the response of bridge pier columns 

under blast loads.  This level of analysis was chosen because the goal of this research was 

to perform numerous fast running analyses using simplified, but still accurate, models to 

examine the accuracy of this type of tool.  SDOF models also represent the current state of 

practice in blast design and provided reasonable estimates of blast effects.  The results of 

the case study indicated that the simplified dynamic uncoupled SDOF models provided an 

accurate prediction of maximum column deflection and support rotations.   A study which 

examined the response of concrete filled steel tube (CFST) bridge columns founded in fiber 

reinforced concrete against blast also indicated that simplified SDOF analysis was an 

Page 25: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 12  

accurate tool to predict the intensity and location of deformation in the columns given a 

specific standoff distance, charge, and height (Fujikura et al., 2008).  

Page 26: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 13  

Table 2.1:     Comparison of Analysis Methods (Winget et al., 2005) 

Uncoupled Analysis Coupled analysis

Static analysis/ equivalent static 

analysis Dynamic analysis SDOF analysisMDOF analysis (including FEM)

Advantages Much simpler to Accounts for Simplified analysis Increased accuracy Reasonable Increased accuracyperform coupled effects of procedures because it accuracy for for more complex

structural response accounts for simple structures componentswith fluid inertial effects, because because it accountsdynamicsbehavior which can fundamental mode for higher‐orderof an explosion contribute dominates modes or responseload, considering significantly to displacementtime and spatial stresses and responsecoupling strains

Provides Provides better Simplifiedreasonably predictions of calculationsaccurate, ultimate behaviorconservativepredictions

Disadvantages Overestimates Complex models Inaccurate results More difficult to Difficult to Difficult to performblast loads may require in most cases perform analysis correctly model a without abecause it does extensive because it only complex structure computer, complexnot account for computational accounts for one models may requiremembers yielding resources deformation mode several hours ofand failing and does not computational time

include inertialeffects

Programs often Difficult to As more modes Estimates may belack conservatively are added beyond very conservative,user‐friendliness determine static a certain limit, depending ondue to large design load accuracy geometry andnumber of input because improvements will contribution fromparameters, magnitudes and be insignificant higher modesexperience locations of blast while analysisnecessary to create can vary, time increasesan accurate model producingaccounting for the significantlycorrect failure different responsesmodes, and

 

Page 27: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 14  

Another consideration for choosing the proper analysis method was the availability of 

public domain analysis programs.  Although blast wave propagation programs such as 

BlastX (BlastX, 2001) are advantageous for this type of research, many of them are licensed 

by the Department of Defense and are not available to the general public.  LS‐DYNA is a 

combined implicit/explicit solver and integrated into LS‐DYNA is an coupled empirically 

based blast load function code called CONWEP, as well as constitutive material models 

developed for blast loads (LSTC, 2007).   

The CONWEP blast load function was implemented into LS‐DYNA based on a report 

by Randers‐Pehrson and Bannister (1997).  The report summarized a study conducted to 

verify the empirical equations that are use in the loading function against physical testing 

of a vehicle’s response to a land mine.  The study concluded that the blast load functions 

allowed for the application of blast loads on structures created in LS‐DYNA without having 

to run CONWEP explicitly and were adequate for modeling similar types of blast loading 

problems.   

Recently the blast load function has been modified to account for the reflection of the 

blast waves off the ground surface or any rigid body.  This modified function provides the 

user with the option to choose between a spherical air blast load producing only one initial 

peak pressure, initial and reflected pressures, or a combined mach front pressure that 

merges the effects of both incident and reflected pressures (LSTC, 2007).   

Therefore, due to the ability and reliability of LS‐DYNA to use the mechanics and 

characteristics of fluids and flows to calculate variations in pressures as a function of time 

and position (coupled) it was used in this research to model steel‐jacketed columns under 

blast loads.  FE models were created using embedded constitutive material models and the 

Page 28: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 15  

CONWEP loading functions were used to perform nonlinear coupled dynamic 

computational analyses of representative pier columns. 

2.3 Blast Loading 

2.3.1 Air Blast Characteristics 

Air blast loads on structures are affected by the weight, shape, location, and 

orientation of the explosive charge.  Commonly assumed charge shapes include spherical 

air charges, hemispherical contact charges, or cylindrical vehicular charges.    In the process 

of an explosion an incident pressure wave travels from the center of a charge until it strikes 

an object.  Once striking the object, it is reflected back towards the point of explosion 

(Sriram et al., 2006).   

If a blast initiates near an abutment or between girders, the confined space allows 

reflection of the pressure waves off the structure or ground.  These reflected waves 

continue to load the structure until they are vented from the space.   Reflections of the 

pressure waves may also increase damage to pier columns by creating a mach front region 

(Winget et al., 2005; Williamson et al., 2010).  This region, demonstrated in Figure 2.1, is 

the area under the bridge where the incident and reflected waves combine to form a wave 

front with almost twice the original pressure.  

Page 29: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 16  

 

Figure 2.1:     Mach Front Region (Winget et al., 2005) 

This merge occurs because the incident wave heats and compresses the air behind it 

allowing the reflected wave to travel faster through the superheated compressed air.  The 

standoff distance plays an important role in allowing this mach region to form.  If the 

charge is detonated too close to the deck or piers it will not allow enough time for the 

reflected wave to combine with the initial wave (Winget et al., 2005).  When modeling pier 

columns for blast loads it is important to account for confinement of the blast pressures by 

correctly representing the surrounding environment and its effects on peak and reflected 

pressures and the time for pressure relief to occur.   

Two possible confinement areas affecting pier columns located away from 

abutments are reflections off the ground surface and reflections off the superstructure 

(Williamson et al., 2010).  Confinement and reflections caused by the ground surface are an 

unavoidable consideration for this research due to the most likely threat scenario entailing 

detonation close to or at ground level.  These reflected pressures and possible mach front 

pressures can be accounted for using CONWEP.   LS‐DYNA can account for the reflected 

pressure off of rigid surfaces and is considered a coupled dynamic analysis because the 

blast pressures are dependent on pressure arrival time, distance to the loaded surface, and 

angel of incidence, all of which are modified depending on the non‐rigid structural 

Page 30: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 17  

response (LSTC, 2007).  Experimental tests by Williamson et al. (2010) of blast loaded 

bridge columns confirmed that the pressures and impulses experienced at the bottom of 

the column from blast and ground reflected pressure waves were significantly higher and 

arrived much sooner than those at the top of the column.  This difference was also shown 

to increase as the physical standoff distance decreases.  Therefore, the second confinement 

concern of reflected blast waves off the superstructure will not likely control the response 

of bridge columns because they will reach their peak response much earlier in time due to 

the ground reflections (Williamson et al., 2010). 

Air pressures generated on a structure from blast loads are characterized as an 

impulse excitation (Chopra, 2007).  A typical pressure verses time graph for a blast wave is 

shown in Figure 2.2. 

 

Figure 2.2:     Typical Blast Pressure­Time Graph (Sriram et al., 2006) 

The curve is defined by a peak over‐pressure (Po) which decays to atmospheric pressure 

(Ps) in time (to) and continues to drop, creating a partial vacuum of small magnitude before 

returning to atmospheric pressure.  This curve shape creates two regions in the graph, a 

“positive phase” and a “negative or suction phase”.  In most blast resistant studies the 

Page 31: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 18  

effects of the “negative phase” are ignored and only the “positive phase” and its parameters 

are considered because damage to the structure is caused by this phase (Sriram et al., 

2006).  To evaluate values of Po, to, and the positive region impulse, I+ (area under the 

positive curve), the blast waves are assumed to obey the widely accepted modified 

Friedlander’s equation (Sriram et al., 2006). 

1  

(2.1) 

Where P is the instantaneous over‐pressure at time t, and α is the dimensionless wave form 

parameter.  This equation can then be integrated between 0 and to to obtain I+ (Sriram et 

al., 2006). 

1 11 exp   

(2.2) 

When modeling blast over‐pressures on a structure, individual pressure‐time history 

graphs can be generated and applied specifically to each element in a mesh by wave 

propagation programs.  These computer programs are widely used for uncoupled analysis 

of blast loads on structures. 

2.3.2 Blast Wave Propagation Programs 

The two most commonly used blast wave propagation programs for blast resistant 

research are discussed in this section.  The first program, BlastX (2001), was created and 

licensed by the Department of Defense to analyze blast loads on military structures.  The 

second program, CONWEP, uses empirically based blast load models created by Kingery 

Page 32: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 19  

and Bulmash to generate pressure‐time histories for individual model elements (Sriram et 

al., 2006). 

BlastX has been utilized to examine the blast resistance of various bridge 

components.  It uses methods based on first principles of wave reflection to track blast 

pressure magnitudes as they radiate from the center of an explosion and reflect off 

surfaces.  Studies include components such as girders (Baylot et al., 2003), decks, pier 

columns and bridge systems (Winget et al., 2005).  In the study by Winget et al. (2005) 

circular pier columns, created for computational models, were approximated using a 

square cross‐section due to solid modeling limitations in BlastX. The dimension for the 

cross‐section was selected so that one side was equal to the projected diameter of a 

circular column, which allowed the blast waves to encounter an object with the same 

relative size as the actual dimension of the column.  Because the blast pressures, reflective 

shock waves and time of pressure relief are different for a square column verses a circular 

column, the computed BlastX pressures were reduced by a factor of 0.80.  

The empirical model used in CONWEP, presented in studies by Kingery and Bulmash, 

produces a pressure load (P) in terms of a reflected (normal‐incident) pressure (P1), 

incident (side‐on incident) pressure (P2) and angle of incidence (θ) (Sriram et al., 2006): 

1  2.3  

This code also includes the use of the modified Friedlander’s equation and the Hopkinson’s 

cubic root scaling law.  This law states that a given peak pressure will occur at a distance 

from an explosion that is proportional to the cube root of the energy yield:   

Page 33: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 20  

1 3⁄  (2.4) 

where Z is the scaled distance, R is the distance from the center of explosion, and W is the 

weight of the explosive.  In addition to distance, CONWEP uses the cubic root scaling law to 

scale the time (tsc) in terms of the given time (t) with the following equation. 

⁄  (2.5) 

With the use of this empirical model CONWEP calculates the pressure loads on a structure 

for a given amount of Tri‐Nitro‐Toluene (TNT) at a given distance. 

Both blast wave propagation programs can consider the effects of incident and 

reflected blast waves and provide an accurate solution to the loads produced by an 

explosion.  However, due to solid modeling limitations and unavailability to the general 

public of the BlastX program, the CONWEP blast load function incorporated into LS‐DYNA 

was a logical choice for this research and was used to generate the loads for the 

computational bridge column models. 

2.4 Relevant Model Assumptions, Parameters, and Materials 

This section discusses common model assumptions, parameters, and material models 

that were implemented in the blast and seismic case studies reviewed for this research.  

The discussed modeling assumptions allowed for more simplistic, but still accurate, models 

to be created.  The discussed parameters are separated into blast and seismic categories.  

Within each of these categories, commonly used variables that attempted to encompass a 

wide range of geometric properties are presented.  Relevant LS‐DYNA constitutive models 

Page 34: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 21  

for concrete and steel are also discussed to assist with selection of the most appropriate 

method for modeling the bridge pier column’s response to blast loads.    

2.4.1 Common Blast Modeling Assumptions 

The following assumptions have been identified in the literature to produce reliable 

results for computational models of bridge components subjected to air blast loads.  The 

majority of assumptions are related to support conditions and failure modes.   

One typically assumed support condition relates to the transfer of uplift forces 

produced by below deck explosions.  An explosion occurring below the deck would create 

tremendous uplift forces.  The only resistance to these uplift forces is the deck‐shear stud 

interface.  Some of the forces could be transferred through the shear studs to the girders.  

However, girder uplift is assumed to provide no contribution to axial loads experienced by 

pier columns due to the simple bearing pad support conditions that are common to many 

bridges designed in the United States (Winget et al., 2005).  Therefore, support conditions 

would be that of a propped cantilever, where the top of the column is modeled as a roller 

support that prevents lateral translation, as shown in Figure 2.3.   

 

 

 

 

 

 

Figure 2.3:     Propped­Cantilever 

Pier Column 

Page 35: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 22  

A propped cantilever is a conservative assumption because it produces the greatest shear 

demand at the base of the column (apart from a pure cantilever), which was expected to be 

the controlling mode of failure (Williamson et al., 2010). 

Another commonly used assumption in blast resistant bridge column research 

neglects traffic loads and superstructure dead load reactions from the analyses.  This 

assumption is conservative for flexural failure modes due to the increase in flexural 

capacity associated with axial loads up to the balanced point on a concrete pier moment‐

axial load interaction diagram (Winget et al., 2005).  Figure 2.4 demonstrates this increase 

in flexural capacity on a representative moment‐axial load interaction diagram. 

  

 

 

 

 

 

Figure 2.4:     Moment­Axial Load Interaction Diagram 

However, because direct shear failures rather than flexural failures are commonly 

observed at the base of blast loaded steel‐jacketed columns, assuming no axial loads would 

not necessarily be conservative.  The interaction between the normal forces on the column 

produced by the axial load and the shear forces produced by the blast load may result in 

failure of the steel‐jacketed column earlier than anticipated if axial loads are neglected.  

Increase in flexural capacity 

Increase in axial load

Balanced Point 

Mn 

Pn

Page 36: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 23  

Therefore, typical column axial loads must be represented in steel‐jacketed blast loaded 

bridge columns. 

Practical axial loads were included in seismic research that investigated the shear 

enhancement of steel‐jacketed bridge columns (Priestley et al., 1994).  This research 

considered axial load ratios of the form  / , where P = axial load, f’c = 28 day 

concrete compressive strength, and Ag = gross cross‐sectional area of the column.  The 

ratios were varied from 0.06 to 0.18.  Research results showed shear bond failure, 

involving the bond degradation of bars on the sides of the column, for columns with higher 

axial load. 

The ground surface surrounding the pier columns must also be considered to 

produce desired effects, such as reflection of blast waves.  Research involving blast 

performance on fiber reinforced concrete barriers assumed that the ground was infinitely 

rigid to account for the reflection of the blast wave on the structure (Coughlin, 2008).  

Similar assumptions are made in other bridge component blast performance studies  

(Baylot et al., 2003; Winget et al., 2005). 

Blast loads can cause shear or membrane failure of pier columns (Winget et al., 

2005).  Membrane failure includes spalling or cratering of the concrete.  Spalling is a 

tension failure that occurs when a shock wave travels through a member and reflects off 

the back of the object causing tension as it travels back towards the center of the member.  

Cratering is defined as a compression failure through crushing of the concrete subjected to 

blast loads.  These types of membrane failures can cause loss of cover and affect the bond 

between the reinforcement and the concrete, greatly reducing the column’s capacity.  

However, previous research has indicated that, for pier columns retrofitted with steel 

Page 37: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 24  

jackets, membrane failure can be mitigated and ignored during an analysis by selecting an 

appropriate jacket thickness (Winget et al., 2005; Fujikura et al., 2008).   

2.4.2 Blast and Seismic Model Parameters 

This section summarizes commonly examined reinforced concrete pier column 

parameters that have been to shown to predominantly influence column behavior and 

resistance when subjected to either blast or seismic loads.  In addition, parameters that 

have been considered for steel jacket seismic retrofitting are also summarized to assist 

with evaluating their possible contributions to blast load resistance. 

2.4.2.1 Common Blast Parameters 

Bridge pier columns are designed with a variety of different shapes, dimensions, 

reinforcement types, ratios, and reinforcement splice locations.  This provides a unique 

challenge for modeling their response to blast loads.  Representative columns must be 

justified to encompass a logical range of possibilities.  In a recent study, ten representative 

reinforced concrete pier columns were examined under blast loads (Williamson et al., 

2010).  This research was completed to study the influence of reinforcement splice 

location, cross‐section shape and size, and transverse reinforcement type and spacing on 

the behavior of blast‐loaded bridge columns.  The tested half‐scale specimens represented 

the most commonly used bridge column design parameters according to consultations of 

state DOT guidelines and representatives.  Table 2.2 presents the column specimen 

parameters.   

Page 38: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 25  

Table 2.2:     Column Parameters (Williamson et al., 2010) 

Column Label

ShapeDiameter mm(ft)

Longitudinal Reinforcement 

Ratio

Transverse Steel Type

Transverse Steel Design

1A1 Circular 457(1.5) 1.04 Hoops Typical1A2 Circular 457(1.5) 1.04 Hoops Typical1B Circular 457(1.5) 1.04 Spiral Typical2A1 Circular 762(2.5) 1.13 Hoops Typical2A2 Circular 762(2.5) 1.13 Hoops Typical2B Circular 762(2.5) 1.13 Spiral Typical

2‐seismic Circular 762(2.5) 1.13 Spiral Seismic2‐blast Circular 762(2.5) 1.13 Spiral Blast3A Square 762(2.5) 1.18 Ties Typical

3‐blast Square 762(2.5) 1.18 Ties Blast 

The work by Fujikura el al., (2008) discussed in Section 2.2, which computationally 

and experimentally evaluated concrete filled steel tube (CFST) columns under blast loads, 

considered the diameter to thickness ratio of the steel tube (D/t) as the controlling 

parameter for the initial column sizing.  The tests varied the loading parameters while the 

column parameters remained constant.  The six tested specimens consisted of two bents 

having ¼ scale columns with diameters of 101.60 mm (4”), 127.00 mm (5”), and 152.40 

mm (6”) each having a steel tube thicknesses of 3.18 mm (0.125”).  A photograph of the test 

set‐up is shown in Figure 2.5.    

The reseach investigated the tube section’s performance for the blast load 

considered and showed that D/t ratio is an important parameter with respect to column 

blast resistance. The D/t ratio has also a been shown to be a commonly used parameter for 

studies assessing the performance of steel‐jacketed bridge columns under seismic loads 

(Chai et al., 1994).  

 

Page 39: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 26  

 Figure 2.5:     Test Set­Up (Fujikura et al., 2008) 

2.4.2.2 Common Steel‐Jacketed Pier Seismic Parameters 

A number of parameters have been studied related to the performance of steel 

jackets under seismic loads.  Steel jackets are oversized allowing the gap between the 

jacket and the column to be filled with a cement‐based grout to ensure composite action.  

This bond strength, along with the steel jacket height and jacket thickness to column 

diameter ratio (tj/D), and column aspect ratio (L/D) have been shown to affect the lateral 

stiffness of the columns (Chai et al., 1994; Chai, 1996).  The studies have also shown that 

longitudinal steel lap‐splice length and location also influenced the column’s resistance. 

The design jacket thickness shown in Equation 2.6 is currently specified by the 

California Department of Transportation for circular columns and has been proven 

experimentally and in field applications to perform well under seismic loads (Chai, 1996) 

200 6.4   (2.6) 

where D = diameter of the column, and   coefficient depending on the details of the 

longitudinal reinforcement at the base of the column defined by: 

Page 40: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 27  

1.0    for continuous longitudinal reinforcemen1.2            for lapped longitudinal reinforcement 

The minimum thickness of the jacket is specified to primarily provide for sufficient rigidity 

to ease handling and field installation.  The maximum thickness is usually taken at 25 mm.  

Equation 2.6 implies that the thickness to diameter ratio (tj/D) is either 0.005 for 

continuous reinforcement or 0.006 for spliced reinforcement. 

2.4.3 LS‐DYNA Material Models 

As stated earlier, LS‐DYNA, a Lagrangian finite element code with explicit and implicit 

time integration, has been proven to be a reliable tool for modeling structures subjected to 

blast loads.  Extensive material libraries have been developed and integrated into the code 

and can be utilized to realistically represent reinforced concrete and reinforcing steel 

behavior under a variety of conditions (LSTC, 2007).   LS‐DYNA material models that are 

able to represent the high strain rate effects of blast loading on concrete and steel are 

discussed in this section.  Magallanes (2008) studied various LS‐DYNA concrete models 

with autogenerated parameters using tri‐axial and blast test data.  It was stated that only 

models using an equation of state (EOS) approach to represent the encountered tri‐axial 

stress states can accurately predict the response of concrete flexural members under blast.  

Computational tests employing LS‐DYNA Material Types 72, 72 Release 3, and 159 were 

shown to produce reliable results compared to lab tri‐axial and blast tests and will be 

examined in this section (Magallanes, 2008).  For reinforcing steel models a bilinear elasto‐

plastic Material Type 3 constitutive relationship with kinematic and isotropic hardening is 

discussed for quasi‐static loading cases.  Material Type 24 is also discussed which allows 

user defined strain rate effects for dynamic load cases. 

Page 41: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 28  

Material 72 (keyword *MAT_COCNCRETE_DAMAGE), created by Malavar et al. (1997), 

was a modification of Material Type 16.  The original Material Type 16 constitutive model 

decoupled the volumetric and deviatoric material responses to account for confinement 

effects on concrete.  The EOS, which produces current pressures in terms of volumetric 

strain and defines the movable yield surface limiting the second invariant of the deviatoric 

stress tensor, was deemed reliable for the original model.  However, the original deviatoric 

response, which has the limitation of not incorporating shear dilation of the concrete, will 

result in softer than expected behavior.  This original deviatoric response is a linear 

combination of two fixed three‐parameter functions of pressure (maximum and residual), 

whereas, the modified response incorporates a third independent fixed surface that 

represents yield.  Figure 2.6 represents the failure surfaces associated with Material 72. 

 

Figure 2.6:     Material 72 Failure Surfaces (Malavar et al., 1997) 

Material Type 72 Release 3 (keyword *MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3) is the latest 

revision of the original Material Type 16.  This model, created by Karagozian and Case, Inc., 

utilizes the same shear failure surfaces shown in Figure 2.6.  The most significant user 

Page 42: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 29  

improvement is a model parameter generation component that is specified by the 

unconfined concrete compressive strength, which allows default parameters to be defined 

for normal weight concrete.  Strain rates affect both Material 72 versions through radial 

enhancement factors that are defined for values of pressure calculated from the EOS. 

Another recent addition to the LS‐DYNA material library is Material Type 159 

(keyword *MAT_CSCM_{OPTION}).  It is a smooth continuous surface cap model (CSCM) 

containing a smooth intersection between the yield surface and the hardening cap, as 

shown in Figure 2.7 (LSTC, 2007).     

 

Figure 2.7:     CSCM Yield Surface (LSTC, 2007) 

The user has the option of inputting unique material properties or requesting default 

material properties for normal weight concrete.  It was developed for the Federal Highway 

Administration and used to model concrete impact for transportation applications 

(Coughlin, 2008).  Material 159 is modeled with a three invariant yield surface and contains 

a damage model to simulate the softening of concrete in tensile and moderate compressive 

regimes. 

The damage accumulation is base on two distinct formulations representing brittle 

and ductile damage.  A softening function then applies a damage parameter to the six 

Page 43: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 30  

elemental stress components that is equal to the current maximum of the brittle or ductile 

parameters.  Although this damage softening is mesh sensitive, the model maintains a 

constant user defined fracture energy that can be used to calculate the damage parameter 

regardless of element size.  Strain rate effects are modeled using a viscoplasticity approach.  

Material 159 also allows the user to enhance the fracture energy as a function of the 

effective strain rate. 

There are a variety of LS‐DYNA material models that allow for definition of static 

and dynamic reinforcing steel material properties.  Material Type 3 

(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC), a bilinear elasto‐plastic model, is a useful material model for 

quasi‐static and cyclic loading due to its ability to define either kinematic or isotropic strain 

hardening (LSTC, 2007).  This model utilizes a bilinear representation of the stress‐strain 

curve, as seen in Figure 2.8, with modulus of elasticity (E) defining the first line and a 

tangent modulus (Et) defining the second strain hardening line.   

 

Figure 2.8:     LS­DYNA Material Type 3 (LSTC, 2007) 

Page 44: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 31  

Kinematic hardening defines the difference in ultimate tension and compression stresses 

as 2   , whereas isotropic hardening defines the difference 

as 2   .  Expected yield and ultimate strengths of ASTM A615 Grade 60 

reinforcing bar can be assumed as 475 and 750 MPa (69 and 109 ksi) respectively (Malvar, 

1998).  The modulus of elasticity can be assumed 200 GPa (29,200 ksi) with failure 

occurring at 12% strain (Malvar, 1998).  Material Type 3 also accommodates strain rate 

effects through the Cowper and Symonds model which scales the yield stress with the 

factor 1 ⁄ ⁄  where   is the strain rate. 

  It is important to consider the effects of high strain rates associated with blast loads 

for reinforcing steel.  Reinforcing bars subjected to high strain rates can experience a yield 

stress increase of 60 percent or more, depending on the grade of steel (Malvar, 1998).  LS‐

DYNA contains constitutive material models that realistically represent reinforcing steel 

response at very high strain rates for structures subjected to blast loads. 

Another such material model that can account for the increase in capacity caused by 

high strain rates is Material Type 24 (*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY) (LSTC, 

2007).  This material model offers three separate options for defining strain rate effects.  

The first option uses the Cowper and Symonds model mentioned above.  The second option 

allows for generality by requiring the user to input a curve to scale the yield stress.  This 

curve is defined as a scale factor which is a function of strain rate.  These yield stress scale 

factors are usually referred to as dynamic influence factors (DIF).  A yield stress DIF curve 

that has been shown to correctly represent strain rate effects in the range of 10‐4 to 10 s‐1 is 

defined by Equation 2.7 (Malvar, 1998): 

Page 45: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 32  

10  2.7  

where  0.074 0.040 60⁄ .  Figure 2.9 represents this proposed DIF curve for ASTM 

A615 reinforcing steel Grade 40, 60, and 75.  The third model strain rate option allows the 

user to input stress‐strain curves for various strain rates.  These curves can also be defined 

in LS‐DYNA with reference to a table.   

 

Figure 2.9:     Proposed DIF for ASTM A615 Steel Reinforcing Bar (Malvar, 1998) 

2.5 Relevant Research Findings 

This section discusses relevant case study results that focused on the response of 

bridge pier columns against both blast and seismic loads.  Resulting failure modes and 

parameters that contribute to preventing these failure modes are considered.  Parameters 

that were shown to improve the response of the pier columns against their respective loads 

are also discussed. 

2.5.1 Blast Resistant Results 

Page 46: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 33  

Computational and physical tests show that bridge columns have greater blast capacity 

than initially thought (Williamson et al., 2010).  Two parameter changes that showed the 

most improvements with respect to shear and flexural capacity were transverse 

reinforcement steel ratio, which defines the ductility and shear capacity of the column, and 

the elimination of longitudinal reinforcement splices in vulnerable regions, such as near the 

foundation level.  It was also demonstrated that spiral shear reinforcement performed 

better than hoops or ties against blast loads with respect to adequately confining the 

concrete. 

Breaching failure of the concrete, which represented spalling and cratering ,  was 

shown to govern pier design (Winget et al., 2005; Williamson et al., 2010).  However, if 

proper protection against this failure mode was provided, such as via the use of fiber 

reinforced polymer (FRP) jackets, steel jackets, or steel tubes, direct shear failure at the 

supports became a dominant failure (Winget et al., 2005; Williamson et al., 2010).  This 

failure mode was also produced in experimental tests performed by Fujikura et al., (2008) 

on steel‐jacketed bridge pier columns that were designed according to conventional 

seismic design standards and subjected to blast loads.  These ¼ scale typical reinforced 

steel‐jacketed concrete bridge columns did not exhibit ductile behavior and failed in direct 

shear at the base of the column by fracturing all the longitudinal bars.  These results 

indicated that the increase in flexural stiffness associated with adhering to seismic design 

criteria for blast resistant steel jacketing encourages a brittle shear failure rather than the 

preferred ductile failure mode of flexural yielding.  However, these experiments did not 

consider variations in column and jacket detailing that could improve retrofitted column 

shear performance. 

Page 47: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 34  

Direct shear failure in a column can occur between different members, or member 

parts that can slide along a common interface, such as the column‐foundation interface.  

The failure is due to high inertial shear forces associated with high strain rate dynamic 

loading (Fujikura & Bruneau, 2008).  It especially needs attention when considering 

concrete members that were not cast monolithically or between different material 

interfaces, such as, concrete and steel interfaces.  Direct shear is also referred to as “shear 

friction” in ACI 2008 and equations are discussed to prevent this type of failure (ACI, 2008).   

Direct shear capacity in a reinforced concrete column is a function of friction and 

cohesion resisting forces within the shear plane.  Factors influencing capacity are global 

and local interface roughness, applied compressive stress normal to the interface, levels of 

reinforcement that cross the interface, and concrete strength (Fujikura & Bruneau, 2008).  

Global and local roughness determines the coefficient of friction between the two 

interfaces.  Combining these items with the applied compressive stress normal to the 

interface and the total column cross‐sectional area produces a resisting frictional force to 

shearing.  Steel reinforcement, such as longitudinal bars in bridge columns that cross the 

interface will experience tension as the two surfaces move laterally relative to each other.  

This bar tensile force is equilibrated by the applied normal compressive stress as seen in 

Figure 2.10.   

Page 48: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 35  

 

Figure 2.10:     Direct Shear Model (Fujikura & Bruneau, 2008) 

This reinforcement will also produce dowel action to resist the shear forces (Fujikura & 

Bruneau, 2008).  Steel jackets that are properly developed across the interface would also 

increase direct shear resistance by providing resisting doweling forces and possibly 

shifting the blast load resistance at the base of the column to a more flexural resistance.  

Concrete strength influences the resisting cohesion forces. 

ACI 2008 provides and equation for nominal direct shear strength under static 

loading in Section 11.7, which assumes that direct shear resistance is a function of friction 

force only as shown in the following equation (ACI, 2008): 

 2.8  

where Avf is the area of shear‐friction reinforcement across the shear plane, fy is the yield 

strength of the reinforcement, and µ is the coefficient of friction.  ACI 2008 specifies a 

coefficient of friction of 0.6 for normal weight concrete placed against hardened concrete 

not roughened intentionally.  A “modified shear‐friction method” equation is also discussed 

in the commentary of ACI 2008 Section 11.7 (ACI, 2008).  This form of the equation 

Page 49: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 36  

considers the direct shear resistance as a function of both friction (1st term) and cohesion 

(2nd term): 

0.8    2.9  

where 0.8 represents the coefficient of friction, Ac is the area of the concrete section shear 

plane, and K1 = 1.7MPa (400psi) for normal weight concrete. 

As seen if Figure 2.11, the ACI shear‐friction model gives a conservative prediction 

of the direct shear capacity while the modified shear‐friction model matches well with 

experimental data. 

 

Figure 2.11:     Direct Shear Model Comparison (ACI, 2008) 

Some of the possible failure modes discussed by Fujikura et al. (2008), which 

involved the CFST blast research, included buckling of the steel tube at the mid‐height 

hinge and rupture of the steel tube at the base.  The columns were also examined for the 

second order moment effects caused by local member displacement and found to be stable 

against these P‐δ failures for the considered axial forces. 

Page 50: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 37  

2.5.2 Steel‐Jacketed Column Seismic Resistance Results 

Steel jackets have been shown to extend the length of the effective plastic hinge in 

columns subjected to base excitation resulting in a larger increase in ductility compared to 

columns without jackets (Chai et al., 1994).  This increase in ductility and confinement of 

the dilated concrete in compression allows for an increase in the ultimate compressive 

strain of the concrete, thereby increasing the column’s capacity and blast resistance.  The 

capacity increase may put additional strain on the extreme longitudinal steel fiber in the 

column and result in an ultimate failure mode similar to low‐cycle fatigue fracture. 

Steel jackets were also shown to greatly affect the shear and moment‐curvature 

response of columns (Chai et al., 1994; Chai, 1996).  Full‐height jackets showed a lateral 

stiffness increase of 23‐41%.  This increase was dependent on the jacket‐to‐column bond 

strength, thickness ratio of the jackets (tj/D), and aspect ratio of the column (L/D).  

Computational tests by Chai et al. (1994) demonstrated that initial moment‐curvature 

response was largely unaffected because the jacket had not yet been engaged.  However, 

once enough lateral expansion of the columns occurred, spalling of the concrete was 

delayed by confinement provided by the jacket allowing for greater column curvatures to 

be developed.  Ductility factors, which consist of the ratio of ultimate curvature to yield 

curvature (φu/φy), increased from 10 for unconfined columns to 41 for columns with 

thickness ratios of 0.005.  Columns with jacket thicknesses between 5 mm and 15 mm (0.2” 

and 0.59”) were shown to fail at a failure mode corresponding to the ultimate compressive 

strain of the concrete.  Columns with jacket thicknesses between 20 mm and 25 mm (0.79” 

and 1.0”) were shown to fail at an ultimate failure mode corresponding to the ultimate 

tensile strength of the longitudinal steel. 

Page 51: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 38  

In computational tests, structural damage to the columns at the ultimate failure 

mode was assessed with a modified Park and Ang damage model (1985) which assumes 

damage to be a linear combination of normalized peak response displacement and 

normalized total hysteretic energy dissipated by the structure during the response.  

Damage above 1.0 is considered failure.  All unretrofitted columns analyzed with the 

damage model were shown to have values greater than 1.0 and, therefore, failed.  However, 

the retrofitted columns resulted in damage values that were extremely low, showing that 

current design thicknesses were sufficient against the assumed seismic loads. 

Experimental correlation between the damage models and physical testing was 

accomplished through damage indices that were computed at various stages of cyclic 

loading for the steel‐jacketed columns.  The test models were jacketed up from the footing 

with a jacket length of 2 times the diameter of the column.  These tests showed that 

columns experiencing damage indices up to 0.61 were repairable with the steel jacket 

retrofit.  However, those that experienced damage indices greater than 0.61 were 

irreparable due to the expense of repairing severe spalling of the concrete at the pier base 

and the subsequent exposure and buckling of longitudinal steel at this location. 

These studies show that the current guidelines for steel jacketing of circular bridge 

columns in Caltrans Bridge Design Aid 14‐2 (2008) which specifies steel jacket thickness 

ratios of 0.005 and 0.006 for columns with continuous and lap‐spliced longitudinal 

reinforcement, respectively, provide significant enhancement in the ultimate compressive 

strain of the concrete.  This increase in concrete compressive strain is accompanied by 

large increases in curvature ductility of the columns.  Specified Caltrans jacket thickness 

ratios also are shown to increase column lateral stiffness in these studies.  These retrofits 

Page 52: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 39  

provide adequate protection against damage from ground motions that had spectral 

accelerations comparable to those specified in current design spectra (Chai, 1996).  As a 

result, these designs were utilized to assist with initial sizing of steel jackets for this 

research.  

2.6 Summary 

After evaluation of current blast analysis methods, a nonlinear coupled dynamic FE 

analysis utilizing LS‐DYNA was chosen to evaluate the performance of circular steel‐

jacketed reinforced concrete bridge pier columns under blast loads.  Investigation of 

general blast loading theory and blast wave propagation programs further validated the 

use of the empirically based blast load function, CONWEP, in LS‐DYNA as the load 

application method.  Commonly used blast modeling assumptions such as neglecting the 

effects of girder uplift, traffic and girder gravity loads, and spalling and cratering on steel‐

jacketed columns were identified through case study investigations and incorporated into 

this research.  Important modeling parameters to evaluate the columns were also extracted 

from these studies.  Some of the parameters included: steel jacket thickness ratio (tj/D); 

column aspect ratio (L/D); jacket‐to‐column bond strength; longitudinal reinforcement 

splice location; and transverse reinforcement type and spacing.  Constitutive material 

models available in LS‐DYNA were investigated to obtain a list of models that realistically 

represent the response of reinforced concrete under blast loads.   LS‐DYNA Material Types 

72, 72 Release 3, and 159 were shown to produce acceptable computational response for 

the concrete.  Finally, results of recent case studies evaluating the performance of pier 

columns under blast and seismic loads have shown that the dominant failure mode for 

Page 53: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 40  

steel‐jacketed columns was direct shear failure at the pier column base.  Although 

experimental research on steel‐jacketed bridge columns under blast produces this brittle 

failure mode, no research to date has evaluated the effects of variations in column and 

jacket parameters that may improve jacketed column shear performance under blast.  

Parameters that were shown to contribute most to resisting this type of failure were 

transverse steel ratio and type, steel jacket thickness ratio (tj/D), column aspect ratio 

(L/D), jacket‐to‐column bond strength and eliminating longitudinal reinforcement splices 

in vulnerable regions.   

Page 54: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 41  

Chapter 3 Parametric Studies 

3.1 Overview 

This chapter examines the method used to determine the effectiveness of steel‐

jacketed bridge columns against blast loads.  Essential parameters needed to fully describe 

bridge columns according to current code criteria are presented.  These variables are then 

examined to extract commonly used values that can be held constant throughout this 

research.  The blast loading and corresponding scaled stand‐off distances are also 

discussed.  Finally, a discussion of possible limits for remaining parameters obtained using 

factorial design is presented. 

3.2 Test Variables 

At a minimum, reinforced concrete bridge columns are designed to meet American 

Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) LRFD Bridge Design 

Specifications (2007).  However, state Departments of Transportation (DOTs) commonly 

have more stringent design requirements depending on local design issues such as 

earthquakes and other environmental conditions.  Table 3.1 compiles a list of the essential 

parameters needed to design a steel‐jacketed reinforced concrete bridge column specified 

in the AASHTO LRFD Bridge Design Specifications and in Caltrans Bridge Design Aid 14‐2 

for steel jacket sizing (AASHTO, 2007; Caltrans, 2008).   

Table 3.1:     Bridge Column Parameters 

Column Geometry  Column Connection  Concrete Stds. 

Shape  Footing f'C

Page 55: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 42  

Aspect ratio  Bent Class     Cover 

 Long. Reinf. Stds.  Tran. Reinf. Stds.  Steel Jacket Stds. 

Grade  Grade Grade Min. size  Min. size Height Min. No.  Min. No. Diameter‐to‐thickness ratio 

ρL  ρS Jacket‐to‐column bond Splice location  Type   Gap distance 

3.3 Constant Parameters 

In NCHRP Report 645 (Williamson et al., 2010) a state DOT design survey was 

conducted to represent current national bridge column design standards.  This survey 

highlighted consistent design standards throughout the nation that could realistically be 

held constant for this study.  Parameters identified from this survey that were not varied 

are: 

• Column geometry – circular; 

• f’c = 27.57 MPa (4000 psi); 

• 50.8 mm (2”) concrete cover; 

• A615 Gr. 60 steel reinforcing bars (std. uncoated, fully developed); 

• 1% long. reinf. ratio (ρL); 

• Propped‐cantilever boundary conditions; and 

• Full height Gr. 36 steel jackets;  

Additional parameters that were held constant for this parametric included: 

• Longitudinal splice location at 0.25L; 

• Discrete hoop transverse reinforcement; 

Page 56: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 43  

• Perfectly bonded steel jacket‐to‐column; and 

• Scaled distance = 0.8 for representative blast load. 

Longitudinal splices have been proven to be detrimental to the ductile response of 

bridge columns under blast and seismic demands (Williamson et al., 2010; Chai et al., 

1994).  However, elimination of longitudinal splices is not an option when considering in‐

situ bridge columns and is not consistent with the objective of bridge column retrofit.  

Research has also shown that, although longitudinal splices exist, the presence of a steel 

jacket will restrain the dilation on the flexural tension side of the column and provide 

effective constraint against failure at the longitudinal bar splices (Priestley et al., 1994).   

Traditionally longitudinal splices are located near the base of the column due to the 

ease of construction.  The ideal splice, however, should be located where the bending 

moment in the column is zero or very small.  These zero moment locations correspond to 

inflection points of the column’s deflected shape.    The location of inflection points depends 

on the assumed column boundary and loading conditions.   

In NCHRP Report 645 Williamson et al., (2010) also assumed a propped cantilever 

column boundary condition and a linearly varying blast load distribution, which is typical 

for small physical stand‐off distances.  To reduce the chances of shear failure at small 

stand‐off distances the study designed the blast‐loaded columns using plastic analysis.  This 

analysis forms two plastic hinges in the column, as seen in Figure 3.1, both of which reach 

the full plastic capacity of the column.   

Page 57: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 44  

 

Figure 3.1:     Moment Diagram of Plastic Hinge Analysis for Blast­loaded Column (Williamson et al., 2010) 

Figure 3.1 shows that the location of zero moment from the plastic hinge analysis is at 

around ¼th of the height of the column from the base.  Therefore the splice location was 

held constant at ¼th of the height from the base of the column (0.25L) for this research.  

Splices were represented as internal hinges in the longitudinal reinforcement of the FE 

models.  These hinges allowed rotation of the reinforcement and produced a reduction in 

flexural capacity and overall ductility, which is representative of the effects of longitudinal 

splices.  

Discrete hoops and continuous spiral reinforcement are typically used as transverse 

reinforcement in bridge column construction.  Although spiral reinforcement is a common 

method in seismic zones to increase concrete confinement and column ductility, many 

existing bridge columns are not equipped with this type of reinforcement (Williamson et 

al., 2010).  Discrete hoops, however, are commonly used in bridge column detailing and are 

preferred by most DOTs due to their ease of construction (Williamson et al., 2010).  One 

~ 0.25L 

Page 58: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 45  

concern for these types of hoops is development length and pullout resistance against blast 

and seismic loads (Williamson et al., 2010).  This research focused on the effects of discrete 

hoops, assuming a perfect bond between the concrete and bars, due to their prevalence in 

existing bridge columns and favorability amongst a majority of  state DOTs for new 

construction. 

Increase in the lateral stiffness of steel‐jacketed bridge columns is fairly sensitive to 

the increase in bond strength between the jacket and the column ( ) although the rate of 

increase in stiffness diminishes with increased bond strength (Chai, 1996).  This increase in 

lateral stiffness will reduce the effective plastic hinge length of the column, resulting in a 

large increase in ductility at the critical section of the column (Chai et al., 1994).  Variation 

in   can be expected in practice with values ranging from 150 kPa – 2100 kPa (Chai, 

1996).  However, steel jacketing seismic research has already defined increases in   as 

advantageous for achieving the required lateral stiffness to resist the considered ground 

accelerations.  Therefore, this research assumed a perfectly bonded composite system 

between the steel jacket and the column. 

As mentioned in the literature review chapter, CONWEP was used to generate blast 

loads for this research.  Although charge weight, shape, and location are unpredictable 

when considering terrorist threats on bridge columns, column accessibility and 

vulnerability to direct attack are high due to traditional site layout which places columns 

close to travel lanes and public access.  Easy accessibility to bridge columns likely suggests 

small stand‐off distances.  However, there are limitations to the load prediction techniques 

involving close‐in detonations due to the variability of temperature and pressures in the 

vicinity of an explosion (Williamson et al., 2010; LSTC, 2007).   

Page 59: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 46  

Classic scaling distances were used to represent charge weight and stand‐off 

distances for this research.  Loads were held constant by specifying a constant scaled 

stand‐off distance, thus allowing the variation in column parameters rather than loading 

parameters to be assessed.  According to the LS‐DYNA keyword manual the empirical 

equations underlying the blast load function are valid between scaled distances, Z, of 0.136 

ft/lbm1/3 and 100 ft/lbm1/3,where Z = R/W1/3 (LSTC, 2007), R is the physical standoff 

distance, and W is the equivalent weight of TNT in lbm.  This research considered an 

airblast with ground reflection.  This option in the LS‐DYNA blast function considers an 

incident shock wave impinging on the ground’s surface which is reinforced by a reflected 

wave producing a mach stem region (LSTC, 2007).  The equivalent weight of TNT was set to 

W = 400 lbm based on weights predicted by the Federal Highway Administration (2003) 

for terrorist actions using sedans as shown in Figure 3.2. 

 Figure 3.2:     Blast Damage Threshold (FHWA, 2003) 

Page 60: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 47  

Physical stand‐off distance was close‐in to conservatively consider the vulnerability 

of most bridge columns.  This also allows blast waves to reach the face of the column 

quickly, reducing model run time.  Close‐in physical stand‐off distances were explained in 

the literature review to maximize pressures and impulses at the base of the column and 

cause the reflected pressure waves to arrive sooner with higher amplitude than those at 

the top of the column.  Therefore, reflection of the blast waves off of the superstructure will 

not likely control the response of the bridge columns because the columns will likely reach 

their peak response much earlier in time at their base due to the ground reflections.   

Physical standoff was set at 1795 mm (5.89’) for this research.  Therefore, utilizing the 

predicted weight and physical standoff distance the scaled distance for this research of Z = 

0.8 fell within the valid range for load prediction. 

3.4 Varied Parameters 

Bridge column parameters that were varied include design details that are 

anticipated to be the most critical with respect to the performance of steel‐jacketed 

reinforced concrete bridge columns under blast loads.  These parameters include: 

• Column aspect ratio (L/D); 

• Transverse reinforcement ratio (ρS); 

• Steel jacket diameter‐to‐thickness ratio (tj/D); and 

• Steel jacket gap distance‐to‐diameter ratio (Lg/D). 

Although blast and seismic loading produce somewhat similar dynamic responses, 

seismic detailing cannot be assumed to provide adequate protection for bridge columns 

against blast loads.  However, research conducted on the seismic performance of steel‐

Page 61: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 48  

jacketed bridge columns has focused on shear and ductility enhancement, which is also of 

concern for blast resistance.  Therefore, seismic standards provide a good starting point for 

blast resistant detailing and provide a means of further refining parameters considered for 

this research. 

3.4.1 Column Aspect Ratio (L/D) 

The length to diameter (L/D) ratio is an important parameter for blast loaded 

columns because of its effects on shear capacity, lateral stiffness, and steel jacket 

confinement pressure.  Throughout this research L/D was varied by holding the diameter 

of the column fixed at 1524 mm (60”) while adjusting the length.  The column’s diameter 

can be defined in terms of d, the effective diameter, which is essentially the diameter of the 

core concrete encompassed within the longitudinal bars of the column.  This effective 

diameter is directly related to its shear capacity as shown in Equation 3.1 from the AASHTO 

LRFD Bridge Design Specifications (2007).  

2  (3.1) 

The L/D parameter has also been shown to affect the lateral stiffness of steel‐

jacketed columns under seismic events (Chai, 1996).  In this study the column’s lateral 

stiffness, defined as  Δ⁄ , where  = the lateral force necessary to cause first‐yielding of 

the longitudinal reinforcement, and Δ = the lateral displacement at first yield of the 

longitudinal reinforcement, increased from 46 percent for L/D = 3 to 59 percent for L/D=9 

for steel‐jacketed columns.  These results demonstrated that, as L/D increased, the 

column’s lateral stiffness also increased.  Finally, the L/D parameter was also shown to 

Page 62: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 49  

affect the required minimum confinement pressure of 2.0 MPa (300 psi) specified by steel 

jacket design thickness Equation 2.6.  To maintain this confinement pressure it was 

determined that the steel jacket design thickness must increase as L/D decreases.  Common 

values of L/D from this study ranged from 1.5, referred to as “shear columns,” to 9, referred 

to as “flexural” columns (Chai, 1996). 

3.4.2 Transverse Reinforcement Ratio (ρs) 

Another important parameter associated with blast loaded columns is the ratio of 

transverse reinforcement to the effective cross‐sectional area of the column.  Transverse 

reinforcement ratio not only dictates shear capacity, but also ductility and column concrete 

confinement pressure.  AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2007) requires a 

minimum transverse reinforcement ratio for typically designed circular columns which is 

given by Equation 3.2 

0.45 1  

(3.2) 

where   = the gross area of the column (in2),  = the area of the concrete core (in2),   = 

specified compressive strength of the concrete at 28 days (psi), and  = yield strength of 

reinforcing bars (psi).  For columns designed to AASHTO LRFD Bridge Design 

Specification’s (2007) seismic standards the minimum transverse reinforcement ratio is 

defined in Equation 3.3. 

0.12  

(3.3) 

Page 63: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 50  

Williamson et al. (2010), suggested an even more stringent transverse reinforcement ratio 

for blast design shown in Equation 3.4.   

0.18  

(3.4) 

This recommended minimum ratio will essentially provide 50% more confinement over 

current seismic standards to improve ductility, energy absorption, and dissipation capacity 

of the cross‐section (Williamson et al., 2010).  This thesis research focused on the limits of 

transverse reinforcement ratio encompassed by Equation 3.2 and 3.4. 

3.4.3 Steel Jacket Diameter‐to‐Thickness Ratio (tj/D) 

Similar to L/D, the ratio of steel jacket thickness to column diameter (tj/D) 

parameter is directly related to column shear capacity, lateral stiffness, and concrete 

confinement pressure.  In seismic research tj/D has also contributed to an increase in 

ductility and in preventing lap‐splice failure (Chai, 1996).  Work by Priestley et al. (1994), 

on the shear enhancement of steel‐jacketed bridge columns related both tj, and Dj which is 

the steel jacket interior diameter, to the added column shear capacity provided by the steel 

jacket.  This added capacity can be superimposed onto the shear capacity given in Equation 

3.1 for circular reinforced concrete bridge columns specified in the AASHTO LRFD Bridge 

Design Specifications (2007). This equation is reproduced as Equation 3.5, which is in 

terms of tj and Dj. 

2 0.865  (3.5) 

Page 64: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 51  

Here  = shear capacity contribution of the steel jacket,  = steel jacket thickness,  = 

steel jacket yield strength, and  = steel jacket interior diameter.  As with L/D, the tj/D 

parameter is directly proportional to column lateral stiffness through the steel jacket’s 

shear capacity enhancement (Chai, 1996).  Finally, to obtain the minimum concrete 

confinement pressure of 2.0 MPa (300 psi) as specified by Caltrans (2008), tj/D must equal 

0.005 for continuous reinforcement and 0.006 for spliced reinforcement.  These minimum 

values, along with the maximum value 0.0164 used by Chai (1996) in his steel‐jacketed 

column seismic research, were considered for this research.  It should be noted though that 

Caltrans Bridge Design Aid 14‐2 specifies a 25 mm (1”) maximum steel jacket thickness. 

3.4.4 Steel Jacket Gap Distance‐to‐Diameter Ratio (Lg/D) 

Steel jackets are typically terminated 50 mm (2”) before both the footing and pier 

cap ends of bridge columns.  The purpose of this gap distance, defined as Lg, is to prevent 

the jacket from bearing on the adjoining members avoiding an increase in moment demand 

on both the pier cap and footing due to the steel jacket’s ability to increase the column’s 

moment capacity in these adjoining areas (Chai et al., 1994; Fujikura & Bruneau, 2008).  

However, this gap contributes to the discontinuity of shear resistance at the column base 

which is proven to be a critical area to resist the commonly observed direct shear failure 

for steel‐jacketed columns subject to blast loads (Fujikura & Bruneau, 2008).  Steel jacket 

seismic research also has shown that spalling of the concrete is commonly observed at the 

base of the column where the steel jacket was terminated (Chai, 1996; Priestley et al., 

1994).  Therefore, in an attempt to prevent the discontinuity of shear resistance at the base 

of the column, reduction of the steel jacket gap, Lg, may prove advantageous in resisting 

Page 65: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 52  

direct shear failures.  To nondimensionalize the Lg parameter, this research considered a 

ratio of Lg/D, where Lg = steel jacket gap distance, and D = diameter of the column. 

3.5 Parameter Limits 

Factorial design is an efficient method to study the effects of the four parameters 

mentioned above.  Factorial design is defined as an investigation of all possible 

combinations of parameter levels (Montgomery, 2009).  The symbol ‘Nk ’ represents a 

factorial design where k = the number of parameters, and N = equals the number of 

parameter levels.  Therefore, the total number of experiments required is Nk.  To further 

refine the factorial design method, a 2k factorial design method can be implemented.  This 

type of factorial design considers only two levels of each parameter.  These levels can 

either be quantitative, such as the L/D value, or qualitative, such as using discrete hoops or 

continuous spiral reinforcement.  These two levels are commonly considered as minimum 

and maximum value limits.  With respect to this study, k represents the number of 

parameters that are being examined and equals four.    2k factorial design is an intelligent 

choice for this study because most of the quantitative parameters can be bound to 

minimum and maximum limits specified in current codes and relevant blast and seismic 

research literature.  Table 3.2 shows a list of the parameters along with their anticipated 

minimum and maximum levels and sources. 

Table 3.2:     Parameter Limits 

Parameters  Minimum   (Source)  Maximum   (Source) 

L/D  1.5   (Chai, 1996)  9  (Chai, 1996) 

Page 66: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 53  

ρs  0.45 1     (ASSHTO, 2007) 0.18   (Williamson et al., 2010)

tj/D  0.005  (Chai, 1996)  0.0164  (Chai, 1996) 

Lg/D  50 mm(2”)/D  (n/a)  Fixed to footing  (n/a) 

 

When associated with 2k factorial design these minimum and maximum limits produce 24 = 

16 possible combinations of the four considered blast loaded steel‐jacketed bridge column 

parameters. 

3.6 Parametric Matrix 

Using the constant and variable column parameters in conjunction with the varied 

parameter limits discussed in the previous section, sixteen bridge pier columns were 

designed for use in the parametric study.  This study used a constant column diameter 

method to assign the parameters to each column.  This simplified the FE modeling by 

maintaining a constant size and number of longitudinal reinforcement in every parametric 

column.  A constant diameter of 1524 mm (60”) was chosen, which was used for the 

columns subject to blast loads in the investigation conducted by Williamson, et al. (2010).  

Table 3.3 lists the values of the constant parameters used to develop the parametric matrix 

of the sixteen FE model columns. 

Table 3.3:     Constant Column Parameters 

Constant Parameters    U.S. Units  LS‐DYNA Units Diameter  60 in  1524.00 mm f'c  4 ksi  27.58 MPa fy  69 ksi  475.74 MPa 

Page 67: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 54  

Cover  2 in  50.80 mm ρL  0.01    0.01   P/f'cAg  0.06    0.06   WTNT  400 lb  1.81E‐01 Mg Z  0.8 ft/lb⅓  537575.18 mm/Mg⅓ RBlast  5.89 ft  1796.63 mm 

 

Each model was labeled with a quick reference number from 1 to 16 along with codes that 

represented each of the four varied parameters and their limits.  The codes consisted of a 

for aspect ratio, v for transverse reinforcement ratio, j for jacket thickness ratio and g for 

jacket gap ratio.  Parameter limits were defined with a 0 for minimum values and 1 for 

maximum values.  An example parametric model label is defined in Figure 3.3. 

 

 

 

Figure 3.3:     Parametric Model Label Definition 

Table 3.4 to Table 3.6 present the parametric matrix for the sixteen FE models listing the 

parameters and their limits, along with details on the column and jacket, and the transverse 

and longitudinal reinforcement.  The color shades help differentiate between minimum and 

maximum parameter limits and combinations.  

 

 

Min(0)/Max(1) Limit 

Quick Reference # 

Aspect Ratio 

Trans. Reinf. Ratio

JacketThick. Ratio

Min(0)/ Max(1) Limit 

Min(0)/Max(1) Limit 

Min(0)/Max(1) Limit 

Jacket Gap Ratio 

Page 68: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 55  

Table 3.4:     Parametric Matrix ­ Column and Jacket Details 

Parametric Matrix Parameter Limits   Column and Jacket Details 

Model #  L/D  ρS  tj/D  Lg/D Axial 

Load (N) Ag

(mm2)  Ac (mm2)L 

(mm) tj 

(mm)Lg 

(mm)1_a0v0j0g0  3  0.001830  0.005  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 4572  7.62 0.02_a0v0j0g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 4572  7.62 50.83_a0v0j1g0  0.0164  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 4572  24.99 0.04_a0v0j1g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 4572  24.99 50.85_a0v1j0g0  0.010435  0.005  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 4572  7.62 0.06_a0v1j0g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 4572  7.62 50.87_a0v1j1g0  0.0164  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 4572  24.99 0.08_a0v1j1g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 4572  24.99 50.89_a1v0j0g0  9  0.001830  0.005  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 13716  7.62 0.010_a1v0j0g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 13716  7.62 50.811_a1v0j1g0  0.0164  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 13716  24.99 0.012_a1v0j1g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 13716  24.99 50.813_a1v1j0g0  0.010435  0.005  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 13716  7.62 0.014_a1v1j0g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 13716  7.62 50.815_a1v1j1g0  0.0164  0.000 3.02e+06 1824147 1704564 13716  24.99 0.016_a1v1j1g1  0.033 3.02e+06 1824147 1704564 13716  24.99 50.8

Ag = Column gross cross‐sectional area Ac = Column concrete core cross‐sectional area L = Column height tj = Steel jacket thickness Lg = steel jacket gap length 

 

 

 

 

 

 

 

Page 69: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 56  

Table 3.5:     Parametric Matrix ­ Transverse Reinforcement Details 

Parametric Matrix Parameter Limits  Trans Reinforcement Details 

Model #  L/D  ρS  tj/D  Lg/D  Trans Bar  Av (mm2) sv (mm) 1_a0v0j0g0  3  0.001830  0.005 0.000 #3 70.97 109.05 2_a0v0j0g1  0.033 #3 70.97 109.05 3_a0v0j1g0  0.0164 0.000 #3 70.97 109.05 4_a0v0j1g1  0.033 #3 70.97 109.05 5_a0v1j0g0  0.010435  0.005 0.000 #5 200.00 53.90 6_a0v1j0g1  0.033 #5 200.00 53.90 7_a0v1j1g0  0.0164 0.000 #5 200.00 53.90 8_a0v1j1g1  0.033 #5 200.00 53.90 9_a1v0j0g0  9  0.001830  0.005 0.000 #3 70.97 109.05 10_a1v0j0g1  0.033 #3 70.97 109.05 11_a1v0j1g0  0.0164 0.000 #3 70.97 109.05 12_a1v0j1g1  0.033 #3 70.97 109.05 13_a1v1j0g0  0.010435  0.005 0.000 #5 200.00 53.90 14_a1v1j0g1  0.033 #5 200.00 53.90 15_a1v1j1g0  0.0164 0.000 #5 200.00 53.90 16_a1v1j1g1  0.033 #5  200.00  53.90 

Av = Transverse reinforcement (volumetric) area sv = Required transverse reinforcement spacing 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 70: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 57  

Table 3.6:     Parametric Matrix ­ Longitudinal Reinforcement Details 

Parametric Matrix Parameter Limits   Long. Reinforcement Details 

Model #  L/D  ρS  tj/D  Lg/D Long Bar 

No. Bars

Splice Loc (mm)

As, PROVIDED 

(mm2) As, REQ'D (mm2) 

1_a0v0j0g0  3  0.001830  0.005 0.000 #8 36 1143 18348  18241 2_a0v0j0g1  0.033 #8 36 1143 18348  18241 3_a0v0j1g0  0.0164 0.000 #8 36 1143 18348  18241 4_a0v0j1g1  0.033 #8 36 1143 18348  18241 5_a0v1j0g0  0.010435  0.005 0.000 #8 36 1143 18348  18241 6_a0v1j0g1  0.033 #8 36 1143 18348  18241 7_a0v1j1g0  0.0164 0.000 #8 36 1143 18348  18241 8_a0v1j1g1  0.033 #8 36 1143 18348  18241 9_a1v0j0g0  9  0.001830  0.005 0.000 #8 36 3429 18348  18241 10_a1v0j0g1  0.033 #8 36 3429 18348  18241 11_a1v0j1g0  0.0164 0.000 #8 36 3429 18348  18241 12_a1v0j1g1  0.033 #8 36 3429 18348  18241 13_a1v1j0g0  0.010435  0.005 0.000 #8 36 3429 18348  18241 14_a1v1j0g1  0.033 #8 36 3429 18348  18241 15_a1v1j1g0  0.0164 0.000 #8 36 3429 18348  18241 16_a1v1j1g1  0.033 #8 36 3429 18348  18241 As, PROVIDED = Area of longitudinal steel provided As, REQ’D = Area of longitudinal steel required 

3.7 Additional Parametric Considerations 

In addition to the sixteen parametric models discussed above, two FE models were 

created to examine the effects of steel jacket fixity and bearing on the foundation and to 

assess the advantages of steel jacket retrofitting compared to unjacketed columns.  The 

first of the two models was a modification of parametric Model 9_a1v0j0g0 that compared 

blast response for steel‐jacketed columns without a gap and the jacket completely fixed to 

the foundation (as in model 9_a1v0j0g0) to those without a gap and the jacket not fixed and 

bearing on the foundation (9_a1v0j0g0_Not Fixed). The second additional model was a 

modification of parametric model 10_a1v0j0g1, which showed the best blast resistance for 

columns containing a steel jacket gap in Chapter 6.  The modified model (10_a1v0) was 

Page 71: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 58  

subjected to the same axial and blast loading, however, the steel jacket was removed to 

compare its response to further examine advantageous of steel jacket retrofitting against 

blast. 

3.8 Summary 

Essential parameters needed to design a steel‐jacketed circular reinforcement 

concrete bridge column were defined through current code criteria which included 

AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2007) and Caltrans Bridge Design Aid 14‐02 

(2008).  These design parameters were then further defined to extract commonly used 

values that were considered constant throughout this research.  This constant parameters 

consisted of: 

• Column geometry – circular; 

• f’c = 27.57 MPa (4000 psi); 

• 50.8 mm (2”) concrete cover; 

• A615 Gr. 60 steel reinforcing bars (std. uncoated, fully developed); 

• 1% long. reinf. ratio (ρL); 

• Propped‐cantilever boundary conditions; and 

• Full height Gr. 36 steel jackets;  

• Longitudinal splice location at 0.25L; 

• Discrete hoop transverse reinforcement; 

• Perfectly bonded steel jacket‐to‐column; and 

• Scaled distance = 0.8 for representative blast load. 

Page 72: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 59  

The remaining essential bridge column parameters of aspect ratio, transverse 

reinforcement ratio, jacket thickness ratio and jacket gap ratio were varied through a 2k 

factorial design.  This parametric study method considers only two levels of each 

parameter.  These two levels were chosen as minimum and maximum values that were 

identified in current codes and seismic and blast research literature.  The variation of four 

critical parameters at two levels each produced 16 parametric combinations (24 = 16).  

Finally, a parametric matrix was produced for this research from the 16 parameter 

combinations.  This matrix defined column and jacket detailing, as well as, longitudinal and 

transverse detailing which was used to create sixteen parametric column models for this 

research.  Two additional parametric columns were considered to examine the importance 

of steel jacket fixity in the columns without a steel jacket gap and the overall advantages of 

steel jacket retrofitting for columns subjected to blast.  This corresponds to eighteen total 

parametric models. 

 

 

Page 73: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 60  

Chapter 4  Finite Element Modeling  

4.1 Overview 

This chapter describes the FE modeling techniques used to create validation and 

parametric study bridge column models in LS‐DYNA.  The validation models were initially 

used for quasi‐static validation and agreement with predicted response from theory.  Once 

the models were deemed acceptable under these loading cases, they were modified, 

jacketed and validated under blast loads.  Finally, additional steel‐jacketed models were 

parameterized following information presented in the previous chapter and used to 

examine effective detailing methods.   

4.2 Finite Elements 

Three finite element types were utilized in the FE bridge column.  Constant stress 

solid brick elements were used to represent the concrete, shell elements represented the 

steel jacket and beam elements represented concrete reinforcement.  LS‐DYNA material 

models Type 72, Type 72 Release 3, and Type 159, which have been shown to realistically 

represent concrete under blast loads, require the use of solid brick elements (LSTC, 2007).  

Therefore, the constant stress brick elements were chosen to represent the concrete and 

can efficiently provide complete stress and strain results. 

 LS‐DYNA offers two desirable shell element types:  the Hughes‐Liu, and Belytschko‐

Tsay elements (LSTC, 2007).  Although both have been shown to perform well, this 

research used the Hughes‐Liu type shell element. It is a computationally efficient and 

robust element that allows for the treatment of finite strains with reduced computational 

Page 74: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 61  

time (LSTC, 2006).  Furthermore, this element type is compatible with the brick elements 

used to represent the concrete and is versatile enough to be used in both implicit and 

explicit problem solutions.   

For beam elements, LS‐DYNA offers two similar types:  the Hughes‐Liu, and the 

Belytschko‐Schwer elements.  For similar reasons as the shell element, the Hughes‐Liu 

beam element will be utilized.    

4.3 Constraints and Boundary Conditions 

Elements were constrained or coupled using three different techniques: nodal 

compatibility, the *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID LS‐DYNA function, and the 

*CONTACT_NODES_TO_SURFACE LS‐DYNA function.  Boundary conditions differed 

between validation models depending on the theoretical or experimental setup and are 

discussed in detail in Chapter 5.  Calibration of the blast validation models required 

boundary conditions that simulated the restraints of a bridge column at typical 

construction joints located at base and pier cap ends.  Parametric models utilized this type 

of boundary condition and it is discussed later in this section. 

Nodal compatibility is often used in computational research to couple different 

elements that are in close proximity to each other and assumes a perfect bond between the 

connected elements.  Although nodal compatibility is widely accepted, it can cause meshing 

difficulties and undesirable element sizes and angles in certain modeling situations.  To 

utilize the nodal compatibility constraint it was necessary to locate common nodes 

throughout a column that were coincident with neighboring element nodes.  This technique 

Page 75: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 62  

resulted in five basic element groups as shown in Figure 4.1a‐e:  the steel jacket shell, cover 

and core concrete zones, and transverse and longitudinal reinforcement zones. 

 

   a.)             b.)                      c.)                d.)                         e.) 

 f.) 

Figure 4.1:     Model Parts:  a.) Steel Jacket, b.) Cover Concrete, c.) Core Concrete, d.) Reinforcement, e.) Entire Model, f.) Cross­Section 

Page 76: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 63  

Using nodal compatibility for each model required that the element density around 

the column perimeter, shown in Figure 4.1f, be chosen to accommodate locations of 

longitudinal reinforcement throughout the height of the column.  It was necessary to 

specify a perimeter density that produced nodal locations at the correct longitudinal 

reinforcement spacing.  The density of elements across the diameter was then chosen to 

formulate element aspect ratios as close to a 1:1 ratio as possible.  This cross‐section 

discretization level remains constant throughout the height of the column, thereby 

permitting connection of every element via nodal compatibility as shown in Figure 4.2 

where both solid bricks and beam elements share common nodes.  This approach directly 

coupled elements and avoided the use of surface‐to‐surface contact or other methods to tie 

elements together that would increase computational time and could produce erroneous 

results.   

  Figure 4.2:  Nodal Compatibility Constraint 

Element heights were chosen as a function of the transverse reinforcement spacing.  Mesh 

refinement occurred near the base and top of the column since these areas were where 

Common nodes 

Page 77: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 64  

inelastic response, large deformations and failure were anticipated to occur. Transition 

techniques matched those from previous research that assessed the response of reinforced 

concrete vehicle barriers to blast loads (Coughlin, 2008) and involved coarse to fine brick 

element transitions from 101.6 mm to 25 mm (4” to 1”) .   

The second technique used to constrain elements was the 

*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID LS‐DYNA function.  This constraint was used to 

embed reinforcement beam elements in the concrete brick elements without the need of 

coincident nodal locations.  Evaluation of this constraint has been performed both in the 

literature (Murray et al., 2007) and during model validation for this research and is shown 

to produce acceptable results.  This function requires the definition of a set of Lagrangian 

beam “slave” parts that are constrained at their nodes through velocities and accelerations 

to a defined set of “master” brick parts.  As seen in Figure 4.3, this type of constraint is 

useful when modeling spiral reinforced columns which would produce meshing difficulties 

and elemental distortions if nodal compatibility was used. 

  Figure 4.3:     *CONSTRAINED _LAGRANGE_IN_SOLID Constraint 

Embeddednodes 

Page 78: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 65  

The final type of element contact was the *CONTACT_NODES_TO_SURFACE LS‐DYAN 

function.  This type of constraint was used in initial blast validation models containing 

foundations which were eventually simplified to a rigid surface rendering this contact type 

obsolete for parametric models.  However, this contact modeled the interaction between 

the column base with the surface segments of the column’s foundation.  This contact 

requires the definition of a set of “slave” nodes that are not permitted to penetrate the set 

of “master” segments in compression, but are allowed to pull away from the segments in 

tension.  This contact, shown in Figure 4.4, models the construction joint typically found at 

the base of the column and assumes that the interface concrete has no capacity in tension 

but has capacity in compression (Murray et al., 2007).  This constraint also requires the 

definition of a friction coefficient to further refine interaction between the column and 

adjoining foundation surfaces.  This column base interface contact conservatively resists 

direct shear failure as it does not model concrete cohesion resistance but only models 

friction resistance.  Additionally, rebar was modeled between the column and footing at 

this contact to provide tension capacity.  

Page 79: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 66  

 Figure 4.4:  Column to Foundation Constraint 

Although boundary conditions varied for the validation models, blast validation 

models were explicitly used to evaluate boundary conditions planned for the parametric 

models at the base.  The boundary condition necessary for these models is similar to the 

elemental constraint, *CONTACT_NODES_TO_SURFACE, as it models the construction joint 

at the base of the column.   To define the boundary a rigid surface was created at the base 

and was assigned an appropriate coefficient of friction to define the interaction between 

the adjoining column and footing surfaces.  Next, a set of “slave” nodes was defined 

corresponding to the concrete brick elements.  These nodes were not permitted to 

penetrate the rigid surface in compression but were allowed to pull away in tension, as 

seen in Figure 4.5.  This boundary condition is also conservative against resisting direct 

shear failure as it does not model concrete cohesion resistance but only models friction 

resistance.  The nodes corresponding to the longitudinal beam elements were also 

restrained in all translational and rotational directions representing a completely fixed 

situation of the rebar penetrating into the footing.  This boundary condition is a 

Compression capacity Tension 

pull away 

Page 80: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 67  

simplification of the blast validation models containing foundations and was shown to 

produce similar conservative results in the blast validation section. 

 Figure 4.5:  Construction Joint Boundary Condition 

Parametric models were also translationally restrained in the plane of the cross‐

section at the top of the columns representing the roller in a propped cantilever system as 

discussed in Section 2.4.1.  Here the longitudinal beam elements were also restrained in all 

translational and rotational directions representing a completely fixed situation of the 

rebar penetrating into the pier cap.   

4.4 Material Models  

The material model selected to represent the concrete brick elements was LS‐DYNA 

normal weight concrete option Material Type 159 (*MAT_CSCM_CONCRETE).  As 

mentioned Chapter 2, this material has been shown to produce realistic results for concrete 

subjected to impact and blast loads due to its viscoplastic strain rate effects and inclusion 

of three invariant failure surface with integrated brittle and ductile damage regions 

Page 81: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 68  

(Murray et al., 2007; Murray, 2007; Coughlin, 2008).  The normal weight concrete option 

requires input of the unconfined concrete compressive strength and maximum concrete 

aggregate size to generate default material properties.  These values were assumed 28 MPa 

(4 ksi), and 19.0 mm  ¾"  respectively which were taken from the national DOT survey 

conducted by Williamson et al. (2010).   

Two additional defined material parameters for Material Type 159 were the Erode 

and Recov items in the material parameter cards.  Erode defines at what damage value and 

maximum principle strain concrete elements will fail and, subsequently be deleted from the 

problem solution.  If the value is set to zero, the element will not erode.  A value of unity 

prescribes element erosion when that element reaches 99 percent damage based on the 

model’s defined material softening function and is irrespective of principle strain.  Previous 

research recommends specifying erosion at 5 to 10 percent of the maximum principle 

strain (1.05 ≤ ERODE ≤ 1.10) (Murray et al., 2007).  A value of 10 percent maximum strain 

was conservatively selected for this research.  The Recov parameter defines the recovery 

material modulus (stiffness) when switching between compression and tension within a 

given element and attempts to model crack closing in concrete.  If the value is not specified 

the tensile modulus is completely recovered in compression.  A value between 0 and 1 

models partial recovery and the model remains at the brittle damage level if set to unity.  

Research recommends that the value be set at 10 where modulus recovery is based on the 

sign of both the pressure and the volumetric strain (Murray et al., 2007).  A value of 10 was 

specified for this research. 

Beam elements used to represent the reinforcement were modeled using LS‐DYNA 

Material Type 3 (*MAT_PLASTIC_KINEMATIC).  This model utilizes a bilinear stress‐strain 

Page 82: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 69  

curve representation, as shown in Figure 2.8, and was defined with a yield and ultimate 

stress of 475 and 750 MPa (69 and 109 ksi) respectively (Malvar, 1998), a modulus of 

elasticity of 200 GPa (29,200 ksi) (Malvar, 1998), and a tangent modulus of 2110 MPa (306 

ksi) (Coughlin, 2008).  Ultimate strain for eroding beam elements was defined as 12% 

(Malvar, 1998).  Strain rate effects for this model were defined with the Cowper Symonds 

model which was fit to the DIF curves for steel reinforcement discussed in Chapter 2. 

4.5 Summary 

Finite elements representing the concrete, steel jacket, and reinforcement were 

defined in LS‐DYNA as constant stress solids, and Hughes‐Liu shells and beams respectively 

(LSTC, 2007).  These elements are computationally efficient and robust enough to produce 

the desired results for this research in a timely manner.  Three contact methods were 

utilized to combination of these elements forming steel‐jacketed bridge column validation 

and parametric models.  Contact types included:  nodal compatibility, the 

*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID LS‐DYNA function and the 

*CONTACT_NODES_TO_SURFACE LS‐DYNA function.  Boundary conditions at the column 

bases were representative of the construction joint typically found in this base location.  A 

rigid surface was created at the base to represent the top surface of the footing.  This 

surface was defined with a coefficient of friction and resisted column nodes in compression 

while allowing column nodes to pull away in tension.  However, the longitudinal 

reinforcement was completely fixed in all directions of translation and rotation to model its 

development into the footing.  Column boundary conditions at the top were representative 

of the roller in a propped cantilever system.  This corresponded to all nodes at the top of 

Page 83: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 70  

the columns being restrained in all translational directions in the plane of the cross‐section.  

Longitudinal reinforcement at the top of the column was also restrained in all translational 

and rotational directions to model its development into the pier cap.  Finally, LS‐DYNA 

Material Type 159 and 3 were defined for concrete and steel reinforcement model 

materials. 

Page 84: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 71  

Chapter 5 Model Validation 

5.1 Overview 

This Chapter discusses the model validation methodology that was used to 

demonstrate that acceptable bridge column response could be obtained under various 

loads using the LS‐DYNA models.  Model validation was conducted statically and 

dynamically.  Static validation was conducted with two loading scenarios.  The first static 

scenario consisted of a concentric quasi‐static load validation and the second a combined 

axial‐flexural quasi‐static load validation.  The dynamic scenario focused on blast load 

validation through comparison to experimental results obtained from MCEER Report 08‐

0028 (Fujikura & Bruneau, 2008).  The purpose of both static and dynamic validation was 

to incrementally subject the model to more complex loadings to systematically ensure 

acceptable predictive capabilities prior to use in the parametric study.   

5.2 Static Validation 

5.2.1 Concentric Axial Quasi‐Static Load Validation 

The purpose of this static load validation is to compare the model’s axial response 

under concentric quasi‐static load at the top of the column to theoretically predicted 

reinforced concrete column axial behavior.  Concentric loading is defined by a purely axial 

load with the resultant applied through the center of the column at the top, as shown in 

Figure 5.1.   

Page 85: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 72  

 

Figure 5.1:     Concentric Load 

Model accuracy was assessed by comparing theoretical force‐displacement relationships in 

both the concrete and reinforcement to force‐displacement relationship from the model.   

There are a variety of theoretical elastic stress‐strain relationships for normal 

weight concrete; all of which provide somewhat similar results.  These relationships differ 

slightly with respect to assumed compressive concrete strength and strain as well as 

ultimate strain and the shape of the softening portion of the curve.  Two common stress‐

strain relationships are the Modified Hognestad Curve and the Todeschini Curve (Wight & 

MacGregor, 2009).  Both of these methods have been shown to produce comparable results 

to experimental testing, although, the Todeschini Curve has the advantage of being defined 

with a single formula (Wight & MacGregor, 2009) and was selected for comparison with FE 

models in this research. 

The theoretical Todeschini non‐linear stress‐strain curve represents concrete 

softening, as seen in Figure 5.2, and is defined by a reduced concrete strength,  " 0.9  

occurring at a strain,  1.71 ⁄ .   

Page 86: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 73  

 

Figure 5.2:     Todeschini Curve (Wight & MacGregor, 2009)  

These values define a stress‐strain curve, represented by the following formula: 

2 " ⁄1 ⁄  

(5.1) 

with an ultimate concrete compressive strain,  0.003.  The reduction in concrete 

compressive strength accounts for the difference between cylinder and member strengths 

resulting from different curing and placing techniques, which gives rise to different 

concrete compressive strengths due to vertical migration of bleed‐water (Wight & 

MacGregor, 2009).  This concrete strength reduction becomes unnecessary when 

comparing theory and modeling predictions since curing and placing techniques are not 

considered in the material models.  Therefore,  " 28    4   for this scenario. 

The theoretical steel stress‐strain curve for the reinforcement was developed from 

the LS‐DYNA material model definition as discussed in Section 4.4.  Figure 2.8 represents 

Page 87: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 74  

this bilinear stress‐strain curve with  200    29,200   

and  2110    306  ) (Malvar, 1998; Coughlin, 2008). 

Using the theoretical models discussed above, both concrete and steel stress‐strain 

curves were derived for strains, ε = 0 to εult = 0.003, which correspond to the ultimate 

strain of concrete in compression.  Theoretical strains were then converted to 

corresponding theoretical deflections (Δ), which were assumed to act at the top of the 

column, by using the following relationship: 

Δ       3429    135"  (5.2) 

Individual theoretical concrete and steel forces were obtained by multiplying the stresses 

obtained from their respective material models by their respective gross cross‐sectional 

areas.   Due to the interaction between the concrete and steel reinforcement and the 

assumption of perfect bond between the two, the individual force‐displacement 

relationships were superimposed and plotted creating the theoretical total force‐

displacement curve for the top of the column.  This process of theoretical total force‐

displacement determination for the column is demonstrated in Figure 5.3.  This figure 

summaries the method to obtain the theoretical force‐displacement curve for the column.  

Validated material models were chosen from literature as the theoretical bases for the 

behavior of the concrete and steel components.  Column detailing, such as number and size 

of longitudinal reinforcement, was then inputted into the material models to obtain 

theoretical stress‐strain relationships for a predisposed strain range of ε = 0 to εult = 0.003, 

which corresponds to the ultimate strain capacity of concrete in compression.  These 

relationships were then converted to force‐displacement relationships.  Concrete and steel 

Page 88: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 75  

cross‐sectional areas were used to convert the theoretical stress to force, while Equation 

(5.2) was used to convert theoretical strain to deflection.  Finally, concrete and steel force‐

displacement relationships were superimposed to form a theoretical column force‐

displacement curve that was used for comparison to FE model results.  This process 

required only one iteration. 

 

Figure 5.3:     Theoretical Force­Displacement Determination Process 

The theoretical elastic ultimate deflection at the top of the column was obtained by 

substituting εult = 0.003 into Equation 5.2.  The resulting maximum theoretical 

displacement of 10.29 mm (0.405”) was then used as the maximum prescribed top nodal 

displacement in the quasi‐static FE model.  Nodal displacements at the top of the column 

model were prescribed rather than an ultimate load because this method allowed for a 

non‐linear resultant load to be obtained that softens as yielding occurs throughout the 

column, a behavioral aspect that is not possible in LS‐DYNA when the load itself is 

prescribed.  To ensure a quasi‐static loading, prescribed displacement was defined to reach 

Page 89: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 76  

its maximum in 2 seconds to avoid wave propagation and reduce strain rate effects in the 

material models.  Resulting model force‐displacement curves obtained at the top of the 

column are plotted against theoretical values in Figure 5.4 for the total column system and 

the reinforcement.     

 Figure 5.4:     Force­Displacement Curve Comparison 

The model curves show good comparison to the theoretical curves in the elastic 

range to the maximum concrete compressive strength.    After this point the total model 

curve deviates from the theoretical curve and shows a decrease in total resultant force 

capacity.  This point of deviation occurs when the longitudinal reinforcement reaches its 

yield strength and is most likely due to excessive deformation and yielding of the 

longitudinal and the transverse reinforcement.  Figure 5.5a shows normal stress contours 

(MPa) in the vertical direction that show softening near the top of the column at the fully 

prescribed displacement.   

0 0.1 0.2 0.3 0.4

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

16000000

0 2 4 6 8 10

Displacement (in)

Axial Load (kips)

Axial Load (N)

Displacement (mm)

Theo. Concrete

Theo. Steel

Theo. Total

Model Steel

Model Total

Page 90: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 77  

   a.)       b.) 

Figure 5.5:     a.) Column normal vertical stress contours, b.) Reinforcing steel axial force contours 

The reinforcing steel is shown in Figure 5.5b to contain areas of high axial tension in the 

transverse reinforcement and areas of high axial compression in the longitudinal 

reinforcement near the column top.  It can be deduced that failure of the model column and 

deviation of its force‐displacement curve from theoretical values was due to dilation of the 

core concrete and subsequent yielding of transverse and vertical reinforcement near the 

column’s softening zone at its top.  Effects of transverse hoop yielding due to concrete 

dilation was not considered in the formulation of the theoretical force‐displacement curve 

and therefore showed deviation from the modeled results.   

5.2.2 Combined Axial‐Flexural Quasi‐Static Load Validation 

The purpose of the second static model validation step was to validate the model’s 

combined axial and flexural prediction accuracy under a combination of vertical and 

horizontal loads (see Figure 5.6).  Validation occurred via the use of axial‐moment 

Page 91: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 78  

interaction diagrams that plotted axial verses flexural capacity, as shown in Figure 5.7 for a 

representative circular column.  Interaction diagrams are typically derived for assumed 

column cross‐sectional dimensions and details and are a function of concrete compressive 

strength, column diameter, longitudinal reinforcement yield strength, and longitudinal 

reinforcement ratio and spacing.   

 

Figure 5.6:     Combined Axial and Flexural Load 

 

 Figure 5.7:     Typical Axial­Moment Interaction Diagram for Circular Columns (Wight 

& MacGregor, 2009) 

FE model results were validated against both simplistic and advanced theoretical 

methods to provide a range of acceptable agreement.  The first was a simplified method 

Page 92: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 79  

based on the Whitney stress block assumption, which replaces the nonlinear stress 

distribution for concrete in compression using a rectangular stress distribution (Wight & 

MacGregor, 2009).  In addition, concrete in tension is assumed to have no contribution to 

the column’s capacity.  The second more advanced theoretical method was based on the 

modified compression field theory developed by Vecchio and Collins (1988).  This method 

discretizes a given reinforced concrete section into concrete layers and longitudinal 

reinforcement elements depending on their respective properties (see Figure 5.8) and 

assumed concrete and steel material models (see Figure 5.9) in an attempt to more 

accurately reflect the nonlinear behavior.     

 

Figure 5.8:     Modified Compression Field Theory Layered Model (Vecchio & Collins, 1988) 

Page 93: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 80  

 

Figure 5.9:     Modified Compression Field Theory Concrete and Steel Material Models (Vecchio & Collins, 1988)  

Through equilibrium and compatibility of the individual sections and elements, this theory 

can accurately predicted response of reinforced concrete members subjected to shear, 

moment and axial load. 

To create the Whitney stress block theoretical interaction diagram, the strain 

distribution across the cross‐section of the column was assumed to be linear with a 

concrete ultimate strain εcu = 0.003.  An iterative process was then used to create the 

interaction diagram.  The iterations were controlled by prescribing an extreme tension 

fiber strain and calculating the strains in the remaining bars and the concrete in 

compression.  From these strains, stress and force values were then computed and 

converted to nominal axial and moment effects using internal equilibrium. As the derived 

points of the theoretical interaction diagram reached the purely axial tension point, the 

iteration control was switched to incrementing the neutral axis depth.  This control switch, 

seen in Figure 5.10, requires less iteration to be completed as curve generation terminates. 

Page 94: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 81  

 

Figure 5.10:     Theoretical Axial­Moment Diagram 

Response 2000 software developed by Evans and Collins (1998) was used to 

develop the axial‐moment diagram based on modified compression field theory.  As 

discussed above, the program requires the user to input concrete and reinforcement 

properties, as well as, overall concrete member characteristics and external loading.  A 

457.2 mm (18”) diameter circular column with a height of 3429 mm (135”) was used for 

validation. The column contained six #6 longitudinal bars and #4 bars for transverse 

reinforcement at 152.4 mm (6”).  The concrete cover was 12.7 mm (0.5”). 

In the LS‐DYNA model seven data points, shown in Figure 5.11, were collected from 

model results to define its interaction diagram.   

 

 

 

 

 

Page 95: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 82  

 

 

 

 

 

 

 

Figure 5.11:     Model Data Points 

These points defined separate loading conditions for the model and consisted of five 

significant points on the curve:  the purely axial condition (A); the “balanced” condition (E), 

which relates to the loading condition where the extreme steel tension fiber and the 

concrete reach yield simultaneously; the purely flexural condition (F); and purely axial 

tension condition (G).  Three intermediate points were also evaluated to better define the 

curve and corresponded to axial forces equal to 4.45 x 103 kN (1000 kips) (B), 3.56 x 103 

kN (800 kips) (C), and 2.67 x 103 kN (600 kips) (D). 

In general, to simulate static effects, quasi‐static axial and lateral loads were applied 

to the column using the implicit nonlinear LS‐DYNA time dependent solver.  These loads 

were slowly applied over a thirty second period to avoid wave propagation and reduce 

strain rate effects in the model and simulated a static loading situation.  Two stages of 

loading were also used in the analysis to simulate the static application of axial and lateral 

loads.  The first loading stage consisted of application of the axial load, which was applied 

monotonically to its maximum value over a nine second period and remained constant 

Pn 

A  B C 

F Mn 

Page 96: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 83  

until analysis termination at thirty seconds.  A period of one second was then used to allow 

LS‐DYNA to solve for the effects of maximum axial load without considering the next 

loading stage.  Next, a lateral load was also applied at mid‐height of the column at ten 

seconds into the analysis, and increased monotonically to its maximum value at twenty‐five 

seconds where it remained constant until analysis termination.  Conditions that did not 

require combined vertical and axial loads, such as the purely axial condition, the purely 

tension condition, and the purely flexural condition, were applied to the column in a single 

monotonic stage over a twenty‐five second period where they reached their maximum 

value and then remained constant until analysis termination. 

The vertical and lateral loads were applied in this manner to produce a critical 

cross‐sectional moment capacity from the application of the lateral load at a given axial 

load.  Boundary conditions for the column being used for validation were a propped 

cantilevered column, and, as a result, the critical cross‐section was at the base.  Resulting 

capacity due to the combined axial and bending effects was defined as the cross‐sectional 

moment, at the prescribed axial load, that produced either the ultimate strain in the 

concrete (assumed to be εcu = 0.003) or yield at the extreme tensile steel (assumed to be εt 

= 0.00207). 

Results for models including and excluding transverse reinforcement were 

developed to obtain axial‐moment curves for comparison to theoretical values.  Theoretical 

results were obtained using both the Whitney and modified compression field approaches. 

As shown in Figure 5.12, initial model results, which included transverse reinforcement, 

indicated an increase in predicted column capacity in the compression controlled regions 

of the interaction diagram.   

Page 97: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 84  

 

Figure 5.12:     Axial­Moment Interaction Comparison 

This increase was attributed to an increase in concrete confinement produced by the 

reinforcement which is not considered in either theoretical method.  Therefore, to more 

closely correlate the results of the model to theoretical values, transverse reinforcement 

was excluded to eliminate its effects on concrete confinement and capacity. 

Results showed good correlation between model and modified compression field 

theory values after elimination of the transverse reinforcement, as shown in Figure 5.12.  

Due to the conservative assumptions built into the Whitney stress block method these 

values where shown to be lower than both the LS‐DYNA model values and the modified 

compression field theory values in the compression controlled region of the interaction 

diagram.  However, in the tension controlled region of the diagram, the Whitney stress 

block values more closely compared to the LS‐DYNA model values.  This was due to the 

method by which the FE model results were obtained which correlated better with the 

0.0E+00 1.0E+08 2.0E+08 3.0E+08

‐1.9E+06

‐8.8E+05

1.2E+05

1.1E+06

2.1E+06

3.1E+06

4.1E+06

5.1E+06

6.1E+06

7.1E+06

‐400

‐200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Moment(N­mm)

Axial Force (N)

Axial Force (kips)

Moment (k­in)

Whitney Stress Block Theory

Modified Compression Field Theory

LS‐DYNA Model with Hoops

LS‐DYNA Model without Hoops

Page 98: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 85  

manner of tension capacity prediction associated with the Whitney stress block method.  

This method assumes the capacity force of the column in tension is purely contributed by 

the resisting summation of longitudinal bar forces at first yield.  This is similar to the FE 

model where the tension capacity was obtained in the column at the point in the analysis 

when all longitudinal bars had reached yield.  

5.3   Dynamic Blast Validation  

The blast load validation component was used to assess realistic steel‐jacketed 

column response to blast loads.  To accomplish this objective a FE model was constructed 

with the same attributes as ¼ scale steel‐jacketed bridge column specimen SJ2 from 

MCEER Technical Report 08‐0028 (Fujikura & Bruneau, 2008).  This specific column was 

chosen because it demonstrated the most visual damage for the tested circular steel‐

jacketed columns and therefore allowed for more robust comparison.   

The column had a length of 1499 mm (59”) and a diameter of 213 mm (8.39”).  The 

steel jacket was 1.2 mm (0.05”) thick and was terminated 13 mm (0.5”) before both the 

footing and pier cap ends of the column, which corresponded to a full scale 2” steel jacket  

gap.  Longitudinal reinforcement consisted of sixteen D3 bars, while transverse 

reinforcement consisted of a spiraled D1 bar with a pitch of 41 mm (1.625”).  Concrete 

cover was 13 mm (0.5”), which also corresponded to a full scale 2” concrete cover.  D1 and 

D3 reinforcing bars correspond to scaled‐down version of #4 and #6 bars respectfully.  

Further details of the bar properties are found in MCEER Report 08‐28 (Fujikura & 

Bruneau, 2008).  Similar blast loads to those used for the tests were applied to the FE 

model.  After the actual test, it was stated that the column incurred a permanent lateral 

Page 99: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 86  

deflection of 78 mm (3.0625”) at its base.  It exhibited a brittle direct shear failure at the 

base with all longitudinal bars fracturing.  A 6 mm gap at the top of the columns was also 

observed along with crushing of the concrete inside the steel jacket and steel jacket bulging 

at the base (Fujikura & Bruneau, 2008).  These items were used for comparison to the finite 

element models (Figure 5.13).  

     

Figure 5.13:     MCEER Report 08­0028 Column SJ2 Blast Damage (Fujikura & Bruneau, 2008) 

An LS‐DYNA model of column SJ2 was created following Chapter 4 modeling 

techniques (Figure 5.14).   

 

Page 100: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 87  

 

Figure 5.14:     Initial Blast Validation Model 

Boundary conditions were modeled a propped cantilever as mentioned in Sections 2.4.1.  

All nodes at the base were restrained in all translational and rotational directions.  All 

nodes at the top were restrained in translational directions in the plan of the column cross‐

section only. 

When compared against qualitative information from the actual test, these 

boundary conditions were shown to overestimate the strength of the column at its base.  

Initial models results were not able to recreate fracture of the longitudinal bars at the base 

as shown in Figure 5.15. 

Page 101: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 88  

 

Figure 5.15:     Initial Blast Validation Damage 

Boundary conditions were revised to include a tributary volume of foundation at the 

column base and a rigid surface at the column top representing the pier cap.  At the base 

the boundary conditions were modified to explicitly model the construction joint in this 

location that is typically created from casting the footing and column at different times 

(Figure 5.16). 

 

Figure 5.16:     Modified Blast Validation Model 

Page 102: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 89  

As discussed in Section 4.3 the *CONTACT_NODES_TO_SURFACE LS‐DYAN function was 

used to model contact between the column and footing surfaces.  Longitudinal 

reinforcement was completely fixed at the base in all translational and rotational directions 

to model its development into the footing.  Boundary conditions at the top were modeled 

similarly and allowed nodes to lift off the top surface in tension while bearing normally in 

compression, which again mimicked a construction joint.  Similar to base conditions, 

longitudinal reinforcement at the top was also completely fixed in all translational and 

rotational directions to model its development into the pier cap. 

Both end constraints required the definition of the coefficient of friction to further 

refine the interaction between the column and its adjoining surfaces.  To obtain the proper 

coefficient of friction, model iterations were performed that varied the interface coefficient 

of friction until experimental column base deflections were reproduced in the model 

results.  Figure 5.17 shows the final model deflection at the base was 80.8 mm with μ = 0.3.  

The model results show complete fracture of the longitudinal bars and a bulge in the steel 

jacket, just as observed in Figure 5.18, which shows experimental damage and a base 

deflection of 78 mm. 

Page 103: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 90  

 

 

Figure 5.17:     Blast Validation Model with Foundation Base Deflection Graph 

 

 

Figure 5.18:     Experimental Base Damage (Fujikura & Bruneau, 2008) 

‐83.59 ‐80.78‐4

‐3

‐3

‐2

‐2

‐1

‐1

0

‐90

‐80

‐70

‐60

‐50

‐40

‐30

‐20

‐10

0

0.E+00 2.E‐02 4.E‐02 6.E‐02 8.E‐02 1.E‐01 1.E‐01 1.E‐01 2.E‐01

Deflection (in)

Deflection (mm)

Time (s)

Blast Validation Model with Foundation Base Deflections

Page 104: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 91  

Figure 5.17 shows a dynamic deflection of 83.59 mm (3.29”) and a static deflection at the 

termination of the analysis of 80.78 mm (3.18”) which was deemed an acceptable 

correlation to experimental base deflection results. 

Similarly, Figure 5.19 shows a dynamic crack opening width of 7.4 mm (0.29”) and a 

static crack opening of 5 mm (0.20”) at the end of the analysis for the top of the modeled 

column 

 

Figure 5.19:     Blast Validation Model with Foundation Pier Cap Gap Opening Graph 

This was deemed an acceptable correlation to the experimental crack opening of 6 mm 

(0.24”) shown in Figure 5.20 . 

‐7.36

‐5.02

‐0.315

‐0.265

‐0.215

‐0.165

‐0.115

‐0.065

‐0.015

‐8

‐7

‐6

‐5

‐4

‐3

‐2

‐1

0

0.E+00 2.E‐02 4.E‐02 6.E‐02 8.E‐02 1.E‐01 1.E‐01 1.E‐01 2.E‐01

Deflection (in)

Deflection (mm)

Time (s)

Blast Validation Model w/ Foundation Crack Opening Widths at Pier Cap

Page 105: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 92  

 

 

 

Figure 5.20:     Experimental Bent Damage (Fujikura & Bruneau, 2008) 

To further improve the results and reduce computational time the next step in blast 

model validation was to replace the foundation with a similar rigid surface as that used at 

the top end of the column as shown in Figure 5.21. 

 

Figure 5.21:     Final Blast Validation Model 

Page 106: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 93  

For this model iteration, Figure 5.22 and Figure 5.23 compare the base deflection 

and pier cap crack opening results, respectively, between the model that included the 

foundation, the model that included a rigid surface substitution and the experimental 

result. 

 

 

Figure 5.22:     Base Deflection Comparison 

‐86.78 ‐86.60

‐3.94

‐3.44

‐2.94

‐2.44

‐1.94

‐1.44

‐0.94

‐0.44

‐100

‐90

‐80

‐70

‐60

‐50

‐40

‐30

‐20

‐10

0

0.E+00 5.E‐02 1.E‐01 2.E‐01Deflection (in)

Deflection (mm)

Time (s)

Rigid Surface ModelExperimental ResultFoundation Model

Page 107: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 94  

 

 

Figure 5.23:     Pier Cap Gap Opening Comparison 

Although the static deflection values for both the base deflection and the crack opening 

width increased slightly they were deemed an efficient conservative correlation to both the 

experimental results and the models including a modeled foundation.   

Since blast validation models containing the rigid surface at the base of the column 

showed acceptable correlation to experimental results, the modeling techniques used to 

model the construction joint boundary conditions were utilized in all parametric models.   

The base rigid surface boundary condition was defined with a coefficient of friction of μ = 

0.3 and with all longitudinal reinforcement completely fixed to properly model the 

construction joint. 

‐6.39‐6.14

‐0.31

‐0.26

‐0.21

‐0.16

‐0.11

‐0.06

‐0.01

‐8

‐7

‐6

‐5

‐4

‐3

‐2

‐1

0

0.E+00 5.E‐02 1.E‐01 2.E‐01

Deflection (in)

Deflection (mm)

Time (s)

Rigid Surface ModelExperimental ResultFoundation Model

Page 108: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 95  

5.4 Summary 

Both static and dynamic validation was completed for the LS‐DYNA models.  Static 

validation consisted of two loading scenarios.  The first was a concentric axial load and the 

second was a combined axial flexural load.  Force‐displacement curves obtained from the 

models were compared to theoretical curves for the concentric axial loading scenario.  

Model results showed acceptable correlation to the theoretical values with slight 

differences observed in the later portions of the curve due to yielding of the transverse 

reinforcement in the column models that was not accounted for in theoretical 

determination.  Theoretical axial‐moment diagrams were used to compare models results 

for the second static loading scenario.  Once again, FE models showed acceptable 

correlation to the theoretical values.  However, it was necessary to exclude the transverse 

reinforcement in the FE models to decrease the capacity to more closely resemble 

theoretical values.  This was most likely due to the increase in confinement, and therefore 

capacity, associated with the in inclusion of transverse reinforcement.  Finally, dynamic 

blast validation was completed by comparing FE model results to experimental blast data 

from MCEER Report 08‐28 (Fujikura & Bruneau, 2008).  FE models showed acceptable 

correlation to experimental base deflection and pier cap crack opening width results.  They 

were also able to replicate the direct shear failure of the columns at their base which was 

observed in the experiments and was accompanied by complete fracture of the longitudinal 

bars.  This blast validation calibrated the construction joint boundary conditions for the FE 

columns resulting in a rigid surface at the column base representing the top surface of the 

footing which was defined with a coefficient of friction of µ = 0.3.  Longitudinal 

Page 109: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 96  

reinforcement was modeled as fixed for this boundary condition modeling its development 

into the footing. 

Page 110: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 97  

Chapter 6 Parametric Study Results  

6.1 Overview 

This chapter discusses results used to assess the effects of the variation of specific 

design parameters on the behavior and performance of steel jacketed bridge pier columns 

under blast loads.  Failure modes that focused on shear and flexural behavior were used to 

assess jacketed column performance. The failure modes and the methods by which column 

performance was measured in association with each included:  

• Direct Shear  

o Longitudinal reinforcement and steel jacket axial cross‐section strain profiles 

at 10% column height intervals;  

o Normalized direct shear plots at the column base; 

• Flexure  

o Moment and rotation diagrams throughout the height of the columns; 

o Normalized moment‐rotation plots at critical locations and times; and 

• Transverse Shear 

o Transverse reinforcement and steel jacket strain profiles throughout the 

height of the column. 

The following sections include detailed descriptions of each failure mode and subsequent 

performance of the jacketed columns in association with that failure mode over the range 

of parameters that were examined.  

6.2 Direct Shear Results 

Page 111: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 98  

As mentioned in Section 2.5.1, direct shear at the column base is the most common 

mode of failure for steel‐jacketed bridge columns.  Friction and cohesion forces across the 

construction joint interface have the biggest influence on a column’s resistance to this 

failure mode.  Conservatively this research ignores the resistance of concrete cohesion, as 

suggested ACI 318‐08 (2008), and only relies on the friction force at the column base 

construction joint interface and the longitudinal reinforcement and steel jacket doweling 

forces which cross the interface.  Both resisting force effects on parameter variation were 

monitored in this research.  The doweling resisting force was examined through axial 

cross‐sectional strain profiles for the longitudinal reinforcement and the steel jacket.  The 

interface resisting friction force was examined through normalized direct shear values 

taken from the base cross‐section.   

Axial cross‐section strain profiles for the longitudinal reinforcement and the steel 

jacket  were used to assess the column’s resistance to direct shear.  These profiles were 

evaluated at intervals of 0.1h, where h = column height, throughout the height of the 

column starting at the base.  This produced eleven shear planes throughout the height of a 

given column for shear capacity examination (Figure 6.1). 

Page 112: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 99  

 

Figure 6.1:     Cross­section Locations 

In addition to examining axial cross‐section strain profiles at a number of sections 

along the column height , critical cross‐sectional direct shear resisting forces at the base of 

the columns were obtained from each model with LS‐DYNA’s 

*DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE function.  This function was defined by a circular 

plane at the base and allows forces and moments to be calculated from any element types 

that cross the defined plane.  The direct shear resisting force corresponds to a resultant 

cross‐sectional force that is parallel to and opposing the blast wave, as shown in Figure 6.2.  

Resulting total direct shear capacity values were then normalized for each model with 

respect to an ultimate static capacity obtained from a separate, quasi‐static analysis. The 

quasi‐static capacity analysis provided ultimate values of direct shear resisting force in the 

base cross‐section for each model.  These capacity values were used to normalize the 

Base

0.1h

0.2h

0.3h

0.4h

0.5h

0.6h

0.7h

0.8h

0.9h

Top

Page 113: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 100  

corresponding blast model direct shear resistance results and permitted the evaluation of 

parameter variation on direct shear resistance.  

 

Figure 6.2:     Direct Shear Resistance 

All models were shown to experience the highest direct shear demand throughout 

the analysis at a time of 7.5 ms after evaluation of all axial strains and direct shear time 

histories.  Figure 6.3 shows that 7.5 ms was the critical time step by plotting a 

representative direct shear time history for Model 8 at the column base.  

 

Figure 6.3:     8_a0v1j1g1 Direct Shear at Base 

7.50E­03, ‐8.21E+06 ‐2.E+03

‐2.E+03

‐1.E+03

‐7.E+02

‐2.E+02

3.E+02

8.E+02

1.E+03

‐1.E+07

‐8.E+06

‐6.E+06

‐4.E+06

‐2.E+06

0.E+00

2.E+06

4.E+06

6.E+06

0.00E+00 5.00E‐02 1.00E‐01 1.50E‐01 2.00E‐01 2.50E‐01

Base Direct Shear Force (kips)

Base  Direct Shear Force (N)

Time (sec)

Page 114: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 101  

Also, all even numbered parametric model steel jacket strain values are not taken 

directly at the bottom of the column due to the jacket gap in this region (see Table 3.4).  

Steel jacket strains for these models are reported at the first row of steel jacket shell 

elements, located 50.8 mm (2”) from the base of the column as shown in Figure 6.4. 

   

Figure 6.4:     Reported Base Steel Jacket Strains 

This technique was used for all parametric models that had a gap, which corresponds to the 

models having the maximum jacket gap ratio values in Table 3.4.   

6.2.1 Axial Cross‐section Strain Profiles 

Axial cross‐section strain profiles where obtained from the parametric models by 

separately reporting either an average axial strain at a distance from the column’s centroid 

corresponding to a specific pair of longitudinal reinforcement bar’s or the steel jacket 

elements in the same cross‐sectional location. They were used to demonstrate the dowel 

action in the cross‐section and evaluations occurred at each of the eleven direct shear 

planes along the column height.  Figure 6.5 demonstrates this technique by showing that 

Page 115: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 102  

the two longitudinal bar axial strain values at section A‐A are averaged and plotted at the 

distance on the y‐axis corresponding to section A‐A.  Likewise two steel jacket shell 

element axial strain values at section A‐A are averaged and plotted separately at the 

distance on the y‐axis corresponding to section A‐A.  This was done for all levels of 

longitudinal reinforcement and steel jacket elements through a single cross‐section. 

 

 

 

 

 

 

     

Figure 6.5:     Cross­sectional Strain Profile Definition 

Representative axial cross‐section strain profiles obtained from parametric Model 

8_a0v1j1g1 (see Table 3.4), which is characterized with all maximum parameter limits 

Blast side 

Average axial strain  in steel jacket at section A‐A 

Compression strain  Tension strain 

‐ Distance from centroid 

Average axial strain in long. reinf. at section A‐A 

+ Distance from centroid 

A A 

Page 116: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 103  

except aspect ratio, are shown Figure 6.6.  Note the plot indicates axial strain levels at each 

of the eleven evaluated direct shear planes along the height of the column for both 

longitudinal reinforcement and steel jackets.  This column experienced the some of the 

highest tensile axial strains in the longitudinal reinforcement, and therefore, high direct 

shear demand.  

Page 117: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 104  

 

Figure 6.6:     8_a0v1j1g1 Axial Cross­section Strain Profiles 

‐30.00

‐20.00

‐10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

Base Bar

Base Jacket

0.1h Bars

0.1h Jacket

0.2h Bars

0.2h Jacket

0.3h Bars

0.3h Jacket

0.4h Bars

0.4h Jacket

0.5h Bars

0.5h Jacket

0.6h Bars

0.6h Jacket

0.7h Bars

0.7h Jacket

0.8h Bars

0.8h Jacket

0.9h Bars

0.9h Jacket

Top BarsBack Side

Blast Side

Base Jacket 

Base Bars 

Top Bars

Page 118: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 105  

This plot indicates that the column base was the critical cross‐section for direct 

shear.  All longitudinal reinforcement at the base was acting in tension, which 

demonstrates dowel action across the shear plane.  Remaining cross‐sections along the 

column (0.1h – Top) had low strain profiles and included tension and compression in the 

reinforcement and steel jackets, indicative of bending rather than direct shear behavior 

Longitudinal reinforcement at the top of the column also experienced only tension 

throughout the cross‐section due to its fixed boundary condition in this location.  Note that 

the steel jacket experienced virtually no strain at the base since this particular column had 

a 50 mm (2”) jacket gap at the base.   

Figure 6.7 shows representative axial cross‐section strain profiles obtained from 

parametric Model 3_a0v0j1g0 (see Table 3.4), which is characterized with only a maximum 

jacket thickness ratio parameter limit and all other at minimum values.  Note the plot 

indicates axial strain levels at each of the eleven evaluated direct shear planes along the 

height of the column for both longitudinal reinforcement and steel jackets.  This column 

experienced the some of the lowest tensile axial strains in the longitudinal reinforcement, 

and therefore, low direct shear demand.  

Page 119: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 106  

 

Figure 6.7:     3_a0v0j1g0 Axial Cross­section Strain Profiles

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

Base Bar

Base Jacket

0.1h Bars

0.1h Jacket

0.2h Bars

0.2h Jacket

0.3h Bars

0.3h Jacket

0.4h Bars

0.4h Jacket

0.5h Bars

0.5h Jacket

0.6h Bars

0.6h Jacket

0.7h Bars

0.7h Jacket

0.8h Bars

0.8h Jacket

0.9h Bars

0.9h Jacket

Top Bars

Top JacketBack Side

Blast Side

Base Jacket

Base Bars

Top Bars

Page 120: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 107  

This plot also indicates that the column base was the critical cross‐section for direct 

shear, although Model 3 experienced much lower longitudinal reinforcement strain values 

compared to Model 8.  All longitudinal reinforcement at the base was acting in tension, 

which demonstrates dowel action across the shear plane.  Remaining cross‐sections along 

the column (0.1h – Top) had low strain profiles and included tension and compression in 

the reinforcement and steel jackets, indicative of bending rather than direct shear behavior 

Longitudinal reinforcement at the top of the column also experienced only tension 

throughout the cross‐section due to its fixed boundary condition in this location.  Note that 

for this model the steel jacket experienced a linearly varying strain profile encompassing 

tension and compression indicative of bending in the base cross‐section due to its fixity in 

this location.  This is reduction in longitudinal reinforcement axial strain and shift to 

flexural resistance in the steel jacket is advantageous in resisting direct shear and 

encouraging a more ductile flexural failure.  Remaining parametric column axial cross‐

section strain profiles are located in Appendix A. 

Figure 6.8 and Figure 6.9 plot critical cross‐sectional longitudinal reinforcement and 

steel jacket strain profiles respectively at the base of the column for all parametric models.   

Figure 6.8 shows that for every model the longitudinal reinforcement is in complete 

tension throughout the base cross‐section indicative of doweling action associated with 

direct shear.   Models 6 and 8 (see Table 3.4), which are characterized as stub columns 

having a steel jacket gap, are shown to have had the highest longitudinal reinforcement 

strain values, while Models 3, 11 and 15, which are mostly characterized by being slender 

and not having a gap, had some of the lowest strain values.  Figure 6.9 shows that the odd 

numbered models, which do not have steel jacket gaps (see Table 3.4), had almost linear 

Page 121: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 108  

strain profiles encompassing both tension and compression which is indicative of steel 

jacket bending in the base cross‐section.  Insignificant axial cross‐section strains were 

observed in the even numbered models, which had steel jacket gaps at the base (see Table 

3.4), because the steel jacket had not yet developed its capacity at this first reported row of 

elements as indicated in Figure 6.4.  Steel jacket strain values further up the columns also 

indicated low values for all models as demonstrated in Figure 6.6.  The large tensile strains, 

for these models, observed in some of the steel jackets on the blast side were attributed to 

local damage effects due to the fact that this was the location closest to the blast.  

Page 122: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 109  

 

Figure 6.8:     Longitudinal Reinforcement Axial Strain Comparison at Base 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

5_a0v1j0g0

6_a0v1j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Blast Side

Back Side

Page 123: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 110  

 

Figure 6.9:     Steel Jacket Axial Strain Comparison at Base

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐0.015 ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

5_a0v1j0g0

6_a0v1j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Blast Side

Back Side

Page 124: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 111  

6.2.2 Normalized Direct Shear 

Direct shear (V) at the base of the column in the parametric models was normalized 

against a capacity value (Vult) obtained from separate quasi‐static analyses on equivalent 

columns to evaluate the level of base direct shear in the blast loaded columns and offer a 

means of parametric model comparison.  The quasi‐static capacity analysis models match 

corresponding parametric model columns with respect to boundary conditions and applied 

axial loads, however, they were subjected to a linearly increasing quasi‐static lateral load 

concentrated at the base. This load was increased until direct shear failure was observed 

(see Figure 6.10). 

   

Figure 6.10:     Direct Shear Capacity Model Load Definition 

A graph of the direct shear time histories for both blast and quasi‐static capacity 

models is shown in Figure 6.11 for Model 8 (see Table 3.4), which is identified in Figure 6.8 

as exhibiting some of the highest longitudinal reinforcement axial cross‐section strain.  

Remaining parametric model direct shear time history comparisons are located in 

Appendix B.  These graphs demonstrate the process of acquiring both the maximum direct 

Page 125: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 112  

shear force (V) obtained from the blast models and the ultimate capacity value (Vult) 

obtained from the quasi‐static analysis models to formulate the normalized direct shear 

values of V/Vult for each parametric model. 

 

Figure 6.11:     8_a0v1j1g1 Direct Shear Comparison at Base 

A compilation of all parametric model normalized values is shown in Figure 6.12.  

This graph compares the values of normalized direct shear obtained from the process 

described above for the sixteen parametric models.  Parametric columns with lower 

normalized direct shear values showed better resistance to this failure mode.  This graph 

agrees with the observations from the axial cross‐section strain profiles where Models 3, 

11 and 15 showed good resistance to direct shear, while Models 6 and 8 showed poor 

resistance.  Overall observations showed that the even numbered models, which have a 

steel jacket gaps (see Table 3.4), achieved higher values of normalized direct shear than the 

‐8.21E+06

8.02E+06

‐2.2E+03

‐1.7E+03

‐1.2E+03

‐7.5E+02

‐2.5E+02

2.5E+02

7.5E+02

1.3E+03

1.8E+03

‐1.E+07

‐8.E+06

‐6.E+06

‐4.E+06

‐2.E+06

0.E+00

2.E+06

4.E+06

6.E+06

8.E+06

0.00E+00 5.00E‐02 1.00E‐01 1.50E‐01 2.00E‐01 2.50E‐01

Base Direct Shear Force (kips)

Base Direct Shear Force (N)

Time (sec)

Blast

Capacity

Page 126: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 113  

models without gaps.  Figure 6.12 also shows that some columns achieved values higher 

than unity meaning that the blast models, in these cases, reached larger values of direct 

shear than the quasi‐static capacity models achieved. 

 

Figure 6.12:     Normalized Direct Shear Comparison 

This behavior can likely be attributed to the increase in column base friction and doweling 

capacities at higher loading rates associated with blast.  The effects of higher strain rates on 

both concrete and steel capacities were discussed in Sections 2.4.3 and 4.4.  Although direct 

shear failure, which is defined as complete fracture of the longitudinal bars at the base 

cross‐section, was not observed in any of the models, normalized direct shear values for 

columns having a steel jacket gap (see Table 3.4) suggest that the columns were quite close 

to failure. 

6.3 Parameter Variation Effects on Direct Shear  

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

V/V

ult

Parametric Model

Page 127: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 114  

This section discusses the sensitivity of direct shear performance to the variation in 

parameters presented in Chapter 3.  Performance sensitivity is again evaluated using axial 

cross‐section strain profiles and normalized direct shear plots for the base cross‐section 

which clearly shows the influences of blast resistance to changes in important parameters 

identified in Section 3.4.  Those parameters are listed again here for clarity: 

• Column aspect ratio (L/D); 

• Transverse reinforcement ratio (ρS); 

• Steel jacket diameter‐to‐thickness ratio (tj/D); and 

• Steel jacket  gap distance‐to‐diameter ratio (Lg/D). 

Each plot contains a select few representative model results.  Each result is paired with 

their corresponding parametrically similar model with the only difference in models being 

the examined parameter minimum and maximum values.   To help facilitate this 

comparison paired results are plotted with the same color.  The darker color shade 

represents the maximum limit of the examined parameter, while the lighter color shade 

represents the minimum limit. 

6.3.1 Aspect Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain 

Figure 6.13 demonstrates that increase in aspect ratio produced a decrease in 

longitudinal reinforcement axial cross‐section strain.   

Page 128: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 115  

 

Figure 6.13:     Aspect Ratio Effects on Longitudinal Bar Axial Cross­Section Strain Profiles at Base  

Overall reductions in longitudinal bar strains signifies reduced dowel action at the critical 

base section, and therefore reduced direct shear demand, which is advantageous for blast 

resistance. 

Figure 6.14 demonstrates that increase in aspect ratio produced little effect in the 

axial cross‐section strain values for the steel jackets. 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

3_a0v0j1g0

11_a1v0j1g0

5_a0v1j0g0

13_a1v1j0g0

8_a0v1j1g1

16_a1v1j1g1

Blast Side

Back Side

Page 129: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 116  

 

Figure 6.14:     Aspect Ratio Effects on Steel Jacket Axial Cross­Section Strain Profiles at Base 

6.3.2 Transverse Reinforcement Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain 

Figure 6.15 demonstrates that decrease in transverse reinforcement ratio produced 

a decrease in longitudinal reinforcement axial cross‐section strain. 

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐0.015 ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

3_a0v0j1g0

11_a1v0j1g0

5_a0v1j0g0

13_a1v1j0g0

8_a0v1j1g1

16_a1v1j1g1

Blast Side

Back Side

Page 130: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 117  

 

Figure 6.15:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Longitudinal Bar Axial Cross­Section Strain Profiles at Base 

As the amount of transverse reinforcement decreased the lateral stiffness also decreased 

reducing the direct shear demand at the base, which is advantageous to blast resistance. 

Figure 6.16 demonstrates that decrease in transverse reinforcement ratio produced 

an insignificant effect in the cross‐sectional strain values for the steel jackets. 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

3_a0v0j1g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

4_a0v0j1g1

8_a0v1j1g1

Blast Side

Back Side

Page 131: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 118  

 

Figure 6.16:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Steel Jacket Axial Cross­Section Strain Profiles at Base 

6.3.3 Jacket Thickness Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain 

Figure 6.17 demonstrates that increase in jacket thickness ratio produced a 

decrease in longitudinal reinforcement axial cross‐section strain for models without a steel 

jacket gap.   

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐0.015 ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

3_a0v0j1g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

4_a0v0j1g1

8_a0v1j1g1

Blast Side

Back Side

Page 132: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 119  

 

Figure 6.17:     Jacket Thickness Ratio Effects on Long Bar Cross­Sectional Strain Profiles for Columns without Gap 

This observed reduction in longitudinal reinforcement axial cross‐section strain for 

columns without a gap as jacket thickness increases is due to the shift in resistance from 

direct shear to flexure.  Flexure results discussed in Sections 6.5.3 and 6.5.7 support this 

argument by demonstrating increase in jacket thickness produced increase in the flexural 

resistance at the base of the columns without gaps, thereby producing the decrease in 

longitudinal bar strain shown here.  This is advantageous to blast resistance. 

However, models containing a gap showed different behavior (Figure 6.18).  These 

models showed an increase in strain on the side of the section facing the blast and a 

decrease on the side away from the blast.   

 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

3_a0v0j1g0

5_a0v1j0g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

11_a1v0j1g0

13_a1v1j0g0

15_a1v1j1g0

Blast Side

Back Side

Blast Side

Back Side

Page 133: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 120  

 

Figure 6.18:     Jacket Thickness Ratio Effects on Long Bar Cross­Sectional Strain Profiles for Columns with Gap 

Just as the effects of transverse reinforcement ratio discussed in the previous section, 

increase in jacket thickness for columns with a gap also increases lateral stiffness, which 

caused greater direct shear demand in the critical base cross‐section on the blast side.  The 

reasons for the shift to a decreasing strain on the back side of the cross‐section are 

inconclusive.  However, considering the lateral stiffness reasoning and the results from 

Section 6.3.2, it seems that decrease in jacket thickness ratio assists is resisting direct shear 

in columns with a gap, and is advantageous in blast resistance. 

Figure 6.19 demonstrates that increase in jacket thickness ratio produced decrease 

in the axial cross‐section strain values for the steel jackets. 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

2_a0v0j0g1

4_a0v0j1g1

6_a0v1j0g1

8_a0v1j1g1

10_a1v0j0g1

12_a1v0j1g1

14_a1v1j0g1

16_a1v1j1g1

Blast Side

Back Side

Blast Side

Back Side

Page 134: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 121  

 

Figure 6.19:     Jacket Thickness Ratio Effects on Steel Jacket Cross­Sectional Strain Profiles 

This is due to the increase in steel jacket cross‐sectional area, which reduces strains in the 

material at equivalent loading. 

6.3.4 Jacket Gap Ratio Effects on Axial Cross‐Section Strain 

Figure 6.20 demonstrates that decrease in jacket gap ratio produced a decrease in 

longitudinal reinforcement axial cross‐section strain values. 

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐0.015 ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

3_a0v0j1g0

5_a0v1j0g0

7_a0v1j1g0

Blast Side

Back Side

Page 135: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 122  

 

Figure 6.20:     Jacket Gap Ratio Effects on Long Bar Cross­Sectional Strain Profiles 

Just as in Section 6.3.3 which discusses the advantages of increasing jacket thickness for 

columns without a gap, the reductions in longitudinal reinforcement axial cross‐section 

strain for columns having low jacket gap ratios are due to the shift in resistance from direct 

shear to flexure.  Flexure results discussed in Sections 6.5.4 and 6.5.8 support this 

argument by demonstrating decrease in jacket gap ratio produced increase in flexural 

resistance at the base of the columns, thereby decreasing the longitudinal bar strain shown 

here. This is advantageous to blast resistance. 

Figure 6.21 demonstrates that increase in jacket gap ratio produced decrease in the 

axial cross‐section strain values for the steel jackets. 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

Blast Side

Back Side

Blast Side

Back Side

Page 136: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 123  

 

Figure 6.21:     Jacket Gap Ratio Effects on Steel Jacket Cross­Sectional Strain Profiles 

This observation is a result of the reporting technique discussed in Section 6.2 which 

defines the reported axial strains for the steel jacket in columns having a gap as the first 

available row of shell elements at the base which are located 50 mm (2”) from the base of 

the column.  The jacket in this location has not yet been able to develop its resistance and 

therefore shows low values of strain.  The decreased jacket strains are not necessarily 

advantageous, however, increase in jacket strain for columns without a gap allowed to 

columns to resist the loading through flexure rather than direct shear which is 

advantageous to blast resistance. 

6.3.5 Aspect Ratio Effects on Normalized Direct Shear 

Figure 6.22 demonstrates that increase in aspect ratio produced a decrease in 

normalized direct shear values for models without a steel jacket gap.   

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐0.015 ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

Blast Side

Back Side

Page 137: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 124  

 

 

Figure 6.22:     Aspect Ratio Effects on Normalized Direct Shear for Column without Gap 

This observation is once again dependent on flexural results from Sections 6.5.1 and 

6.5.5which discuss the advantages of increasing aspect ratio on the increase in flexural 

resistance at the column base.  This shift in resistance to flexure reduces the direct shear, as 

shown here for columns without a gap, and is advantageous in blast resistance. 

However, Figure 6.23, conversely demonstrates that decrease in aspect ratio 

produced a decrease in normalized direct shear values for models containing a gap. 

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

V/V

ult

Parametric Model

Page 138: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 125  

 

Figure 6.23:     Aspect Ratio Effects on Normalized Direct Shear for Column with Gap 

This observation is contradictory to the results from Section 6.3.1 which discusses the 

advantages of increasing aspect ratio on axial cross‐section strain values and direct shear 

resistance of all columns with and without gaps.  Also, flexure results in Sections 6.5.1 and 

6.5.5 showed increased flexural resistance and therefore reduced direct shear demand at 

the column base for columns with high aspect.  In this research, as aspect ratio increased 

the column diameter remained constant and the column height increased.  It is speculated 

that due to this increase in column height the resultant blast load also increased.  Columns 

with higher aspect ratio (taller) had more surface area loaded by the blast, and therefore, a 

higher resultant lateral force.  This may have lead to the increase in normalized direct 

shear observed for these columns, although results are inconclusive. 

6.3.6 Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalized Direct Shear 

Figure 6.24 demonstrates that decrease in transverse reinforcement ratio produced 

a decrease in normalized direct shear values. 

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200V/V

ult

Parametric Model

Page 139: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 126  

 

Figure 6.24:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalized Direct Shear 

Just as in Section 6.3.2, which discusses the advantages of decreasing transverse 

reinforcement ratio on axial cross‐section strain, it is also advantageous in reducing 

normalized direct shear to decrease the transverse reinforcement ratio.  Once again, the 

decrease in transverse reinforcement caused a decrease in lateral stiffness which reduced 

the direct shear demand at the column base, and is advantageous in blast resistance. 

6.3.7 Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Direct Shear 

Increase in jacket thickness ratio produced a decrease in normalized direct shear for 

all parametric columns, as shown in Figure 6.25, with the exception of Columns 2 and 4.   

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

3_a0v0j1g0 7_a0v1j1g0 9_a1v0j0g0 13_a1v1j0g0 4_a0v0j1g1 8_a0v1j1g1

V/V

ult

Parametric Model

Page 140: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 127  

 

Figure 6.25:     Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Direct Shear 

This observation for models without a steel jacket gap agree with Section 6.3.3, which 

discusses the advantages of increasing jacket thickness on axial cross‐section strains for 

columns without a gap.  Reduction in normalized direct shear for columns without a gap as 

jacket thickness increases is due to the shift in resistance from direct shear to flexure.  

Flexure results discussed in Sections 6.5.3 and 6.5.7 support this argument by 

demonstrating increase in jacket thickness produced increase in the flexural resistance at 

the base of the columns without gaps, thereby producing the decrease in normalized direct 

shear shown here.  This is advantageous to blast resistance.   

However, the same Section 6.3.3, also demonstrated that it was more advantageous 

to decrease jacket thickness to reduce axial cross‐section strains for columns with a gap.  

This disagrees with these normalized direct shear results for columns with a gap, except for 

Model 2 and 4.  Given the large number of cases where exceptions to decreased normalized 

direct shear due to decreased jacket thickness exist, no conclusive observations could be 

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200V/V

ult

Parametric Model

Page 141: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 128  

made on effects of jacket thickness ratio variation on the normalized direct shear response 

of blast loaded columns with gaps. 

Models 2 and 4 are consistent with axial cross‐section strain results for columns 

with a gap discussed in Section 6.3.3, which showed that the advantages of decreasing 

jacket thickness on axial cross‐section strains.  Figure 6.26 is used to establish the cause for 

differences in response between Models 2 and 4 and the remaining parametric models by 

evaluating both the blast and quasi‐static capacity model direct shear time histories to 

demonstrate which value is behaving differently than other parametric models with 

increased jacket thickness ratio.   

 

Figure 6.26:     2_a0v0j0g1 and 4_a0v0j1g1 Normalized Direct Shear Comparison 

This figure shows that the static capacity value increased with increased jacket thickness 

ratio, as with all other parametric models.  However, the blast model demonstrated a 

higher increase in direct shear (V), which subsequently dominated the normalized direct 

shear value and caused it to increase.  This increase in available direct shear within the 

V4 = ‐7.95E+06

Vult, 4 = 8.50E+06

V2 = ‐7.36E+06

Vult, 2 = 8.11E+06

‐2.2E+03

‐1.7E+03

‐1.2E+03

‐7.5E+02

‐2.5E+02

2.5E+02

7.5E+02

1.3E+03

1.8E+03

‐1.E+07

‐8.E+06

‐6.E+06

‐4.E+06

‐2.E+06

0.E+00

2.E+06

4.E+06

6.E+06

8.E+06

1.E+07

0.0E+00 1.0E‐01 2.0E‐01 3.0E‐01 4.0E‐01 5.0E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(kips)

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

4_a0v0j1g1 Blast4_a0v0j1g1 Capacity2_a0v0j0g1 Blast2_a0v0j0g1 Capacity

Page 142: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 129  

blast model was likely caused by an increase in capacity of both the concrete and steel at 

the higher strain rates associated with the blast.  Note that both normalized direct shear 

values and cross‐sectional strains from the previous sections show contraditory results 

when considering the effects of jacket thickness ratio on columns containing steel jacket 

gaps. 

Jacket thickness ratio effects on normalized direct shear are clear for columns 

without a gap and showed that increase in jacket thickness is advantageous in reducing 

normalized direct shear and subsequently blast resistance.  However, due to the 

contradictory reports no conclusive observations could be made on effects of jacket 

thickness ratio variation on the normalized direct shear response of blast loaded columns 

with gaps. 

6.3.8 Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Direct Shear 

Figure 6.27 demonstrates that decrease in jacket gap ratio produced a decrease in 

normalized direct shear values.   

Page 143: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 130  

 

Figure 6.27:     Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Direct Shear 

Normalized direct shear is reduced from the decrease in jacket gap ratio due to the shift in 

resistance from direct shear to flexure, just as in Section 6.3.4, which discusses the 

advantages of decreasing jacket gap ratio on the reductions in longitudinal reinforcement 

axial cross‐section strain.  Flexure results discussed in Sections 6.5.4 and 6.5.8 support this 

argument by demonstrating decrease in jacket gap ratio produced increase in flexural 

resistance at the base of the columns, thereby decreasing the longitudinal bar strain shown 

here. This is advantageous to blast resistance. 

6.4 Flexure Results  

The evaluation of moment‐rotation throughout the column is an informative 

measure of the influence of steel‐jacketed column parameters on column flexural capacity 

and ductility under blast.  As discussed in Section 2.4.2.2, steel jackets have been used in 

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1_a0v0j0g0 2_a0v0j0g1 7_a0v1j1g0 8_a0v1j1g1 9_a1v0j0g0 10_a1v0j0g1

V/V

ult

Parametric Model

Page 144: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 131  

seismic retrofits to increase insufficiently detailed column ductility, which can be evaluated 

by examining their deformations via rotational response for a given load.  The same 

research has not shown an increase in flexural capacity under seismic loads.  However, due 

to the variation in jacket gap ratio in this research, which fixes the steel jacket at the base 

for the lower parameter limit, flexural capacity was considered throughout the column 

height to observe it variation and contribution to resisting direct shear. 

To assess parametric column flexural behavior under blast, cross‐sections were 

once again defined at intervals of 0.1h along the height of the columns, including the base, 

using the LS‐DYNA *DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE function as shown in Figure 6.1.  

Cross‐sectional moment and average nodal rotation were calculated at each of these eleven 

locations for the duration of the analysis.  Maximum absolute values of moment were then 

obtained from each model and the corresponding analysis time step was noted.   

Unlike the critical analysis time step for maximum direct shear result values that 

was consistent for all models, the critical analysis time step for flexure results differed 

between models.  Most of the columns with low aspect ratios (see Table 3.4) reached peak 

moment around 10 ms into the analysis, while columns with high aspect ratios reached 

peak moment around 30 ms.  This difference in critical analysis time is due to the formation 

of double curvature in the columns with high aspect ratios and it effects on maximum 

positive and negative moment and rotation during the blast.  Aspect ratio effects on double 

curvature experienced by parametric models are discussed in Section 6.5.1 of this research.    

Average nodal rotations were then obtained at the eleven cross‐sections 

corresponding to the critical analysis time step and critical moment and rotational 

diagrams were plotted along the height of each parametric column and compared.  

Page 145: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 132  

Furthermore, in similar fashion to direct shear examinations completed in the previous 

section, maximum moment and rotation values were normalized with respect to their 

ultimate static capacities obtained from a separate quasi‐static analysis and plotted 

parameter variation effects on column flexural demand were compared. 

6.4.1 Moment and Rotation Diagrams 

Moment and rotation diagrams were developed from the parametric models by 

plotting the moments and rotations in each of the cross‐sections along the column height at 

the critical analysis time step, defined as that time when the given column experienced 

maximum moment.  Representative moment and rotational diagrams are presented in 

Figure 6.28 and Figure 6.29 for Models 4_a0v0j1g1 and 11_a1v0j1g0 (see Table 3.4) which 

experienced some of the highest moments, and therefore, highest flexural demands of all 

the parametric columns that were examined.  Model 4 is characterized by minimum values 

of aspect and transverse reinforcement ratios, and maximum values of both jacket 

thickness and jacket gap ratios.  Model 11 is characterized by minimum values of 

transverse reinforcement and jacket gap ratios, and maximum values of aspect and jacket 

thickness ratios.  Both aspect ratio and jacket gap ratio differ between the two models. 

Page 146: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 133  

 

Figure 6.28:     4_a0v0j1g1 and 11_a1v0j1g1 Moment Diagrams 

 

Figure 6.29:     4_a0v0j1g1 and 11_a1v0j1g1Rotation Diagrams 

Figure 6.28 shows that Model 4 experienced its maximum moment near the mid‐height of 

the column, while Model 11 experienced its maximum moment at the base.  Model 4 

M4 = ‐1.07E+10

M11 = 1.07+10

‐8851 ‐3851 1149 6149

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.20E+10 ‐2.00E+09 8.00E+09

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment, M (N­mm)

4_a0v0j1g1

11_a1v0j1g0

θ4 = 1.46E‐02θ11 = 1.31E‐02

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation, θ (rads)

4_a0v0j1g111_a1v0j1g1

Page 147: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 134  

exhibited low fixity at its base most notably due to the steel jacket gap in this location.  

Although the maximum moment for both columns were close in magnitude, it is more 

advantageous to form the maximum moment at the base of the column as opposed to the 

mid‐height.  When compared to direct shear results, the columns that experienced 

maximum moment at the base resisted direct shear at the base better than those that 

experience maximum moment at mid‐height.  Therefore, evaluation of moment diagrams 

considered an increase in base moment to be advantageous in resisting blast loads, as it 

signifies more flexural resistance and subsequent reduction in direct shear demand at the 

column base.  Figure 6.29 shows that rotation values at the base and top of the column for 

Model 4 are higher than those of Model 11.  This is also due to the absence of the steel 

jacket in these locations.  The steel jacket in Model 11 provides higher rigidity at the base 

and top reducing the rotation experienced by the column, which is also advantageous in 

resisting direct shear and shifting to a ductile flexural resistance.  Remaining parametric 

column moment and rotation diagrams are found in Appendix C. 

Figure 6.30 and Figure 6.31 plot the critical moment and rotation diagrams over the 

height of the columns for all sixteen parametric models.  

Page 148: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 135  

 

Figure 6.30:     Moment Diagram Comparison 

‐11,063 ‐6,063 ‐1,063 3,937 8,937

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.5E+10 ‐1E+10 ‐5E+09 0 5E+09 1E+10 1.5E+10

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

5_a0v1j0g0

6_a0v1j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Page 149: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 136  

 

Figure 6.31:     Rotation Diagram Comparison 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation (rads)

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

5_a0v1j0g0

6_a0v1j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Page 150: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 137  

Both moment and rotation diagram comparisons show the change in fixity between 

parametric models at the base.  These diagrams also demonstrate that an increase in aspect 

ratio (increase in column height) produced double curvature in the columns.  Both moment 

and rotation diagrams for the taller (high aspect ratio) columns fluctuate between positive 

and negative values along the height of the column substantiating double curvature effects. 

6.4.2 Normalized Moment‐Rotation 

Normalized moment‐rotation plots were once again used to further evaluate column 

performance.  Here, maximum absolute values for resisting cross‐sectional moment (M) 

and rotation (θ) at critical locations and analysis time steps for parametric columns were 

normalized with respect to capacity values (Mult and θult) obtained from separate quasi‐

static analyses of on equivalent columns.  The quasi‐static capacity models were subjected 

to a linearly increasing quasi‐static lateral load at column mid‐height until flexural failure 

was observed, as seen in Figure 6.32Figure 6.32. 

 

Figure 6.32:     Moment­Rotation Capacity Model Load Definition 

Page 151: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 138  

A graph of each parametric model’s static moment‐rotation capacity curve (Figure 6.33) is 

found in Appendix D.   

 

Figure 6.33:     4_a0v0j1g1 Static Moment­Rotation Capacity Curve 

A summary of all parametric model normalized moment rotation values is shown in Figure 

6.34.   

θult = 3.29E‐02, Mult = 3.61E+09

0

500

1000

1500

2000

2500

0.E+00

5.E+08

1.E+09

2.E+09

2.E+09

3.E+09

3.E+09

4.E+09

4.E+09

3.E‐03 8.E‐03 1.E‐02 2.E‐02 2.E‐02 3.E‐02 3.E‐02 4.E‐02

Mom

ent (k­ft)

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

Page 152: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 139  

 

Figure 6.34:     Normalized Moment­Rotation Comparison 

The majority of the parametric models experienced levels of normalized moment‐

rotation below unity, which suggests that the blast models did not reach their static flexural 

capacity.  However, as shown in Figure 6.34, Models 2, 4, 6 and 8 achieved levels of 

normalized moment higher than unity, while Models 1, 12 and 16 achieved levels of 

normalized rotation higher than unity.  This behavior is due to the difference in loading 

rate between the static capacity values used in the denominator of the normalized values 

and the values in the numerator that were obtained from the blast models.  The steel jacket 

provided better resistance to flexure at the higher strain rates associated with blast.  

Furthermore, the static capacity analyses used to determine flexural capacity for the 

columns above unity showed a possible failure mode not of flexure, but rather direct shear 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

5_a0v1j0g0

6_a0v1j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Page 153: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 140  

at their base, which indicates the susceptibility of these columns to this type of failure.  This 

coupled with the increase in flexural capacity at higher strain rates could account for the 

normalized values exceeding unity.   

Figure 6.35 plots the axial force time history for the 36 longitudinal bars from the 

static capacity analysis for parametric Column 4, which experienced normalized moment 

above unity and is most notably characterized as having a steel jacket gap (see Table 3.4).   

 

Figure 6.35:     4_a0v0j1g1 Flexure Capacity Analysis Axial Force Time History for Longitudinal Bars at Base 

This plot is used to demonstrate that the longitudinal bars all failed in tension, indicative of 

direct shear failure, rather than a combination of tension and compression which is 

indicative of flexural failure.  This is shown in the graph as every bar’s axial force peaks on 

the positive (tension) side of the y‐axis before failure around the analysis time of 0.35 secs.  

When the longitudinal bar axial forces at the base (Figure 6.35) are compared to a graph of 

their base axial forces from the direct shear capacity analysis (Figure 6.36), similarities in 

are noted. 

Failure of bars 

Page 154: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 141  

 

Figure 6.36:     4_a0v0j1g1 Direct Shear Capacity Analysis Axial Force Time History for Longitudinal Bars at Base 

In both cases all 36 longitudinal bars were shown to fail in tension which points to a direct 

shear failure at the base.  This supports the statement that some of the flexure capacity 

analysis models failed in direct shear and were not able to develop their maximum flexure 

capacity. 

 These direct shear effects at the base of the column were not seen in the models 

that showed normalized moment‐rotation values less than unity, as shown in Figure 6.37 

for Column 14, which is most notably characterized by not having a steel jacket gap (see 

Table 3.4).  This figure shows that the longitudinal bars in the base section experienced 

both compression and tension at their time of failure, which suggests a flexural failure.  

Therefore, the increased loading rate experienced by columns in the blast analyses allowed 

parametric columns to develop higher moments and rotation at critical sections compared 

to their static moment‐rotation capacity analysis counterparts producing normalized 

values above unity.   

 

Failure of bars 

Page 155: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 142  

 

Figure 6.37:     14_a1v1j0g1 Moment­Rotation Capacity Analysis Axial Force Time History for Longitudinal Bars at Base 

6.5 Parameter Variation Effects on Flexure 

This section discusses the effects of varying the four critical parameters on flexure.    

First, the effects of the individual parameters on moment and rotation diagrams for the 

critical analysis time steps are discussed for representative model results.  After which, the 

effects of the individual parameters on normalized moment‐rotation plots are discussed. 

6.5.1 Aspect Ratio Effects on Moment and Rotation 

Figure 6.38 demonstrates that increase in aspect ratio produced a decrease in 

moment along the height of the column and an increase in moment at the base of the 

column.   

Failure of bars 

Page 156: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 143  

 

Figure 6.38:     Aspect Ratio Effects on Moment 

The converse effects on moment between locations along the height of the column and at 

the base are due the formation of double curvature in parametric models with high aspect 

ratios, as seen in Figure 6.39.   

 

Figure 6.39:     Blast Effects on Double Curvature 

‐11,063 ‐6,063 ‐1,063 3,937 8,937

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.5E+10 ‐5E+09 5E+09 1.5E+10

Moment (k­ft)

Column height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

3_a0v0j1g0

11_a1v0j1g0

5_a0v1j0g0

13_a1v1j0g0

8_a0v1j1g1

16_a1v1j1g1

Page 157: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 144  

The formation of double curvature allowed columns with high aspect ratios to experience 

reducing in moment along the height of the column and increase moment at the base.  

Increase in moment at the column base is advantageous in resisting blast loads as it 

signifies and increase or shirt to flexural response in this location where direct shear needs 

to be avoided. 

Figure 6.40 demonstrates that increase in aspect ratio produced an increase in 

rotation at the base of the column and a decrease in rotation at the top of the column. 

 

Figure 6.40:     Aspect Ratio Effects on Rotation 

Similar double curvature effects for columns with high aspect ratios are observed in 

rotation plots just as in moment.  Increased aspect ratio produced fluctuation of rotation 

between positive and negative values along the height of the column.  Ultimately, increased 

aspect ratio produced high rotations at the column base which, once again, signifies 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation (rads)

3_a0v0j1g0

11_a1v0j1g0

5_a0v1j0g0

13_a1v1j0g0

8_a0v1j1g1

16_a1v1j1g1

Page 158: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 145  

increased flexural response at the base which is advantageous in resisting blast loads and 

avoiding direct shear. 

6.5.2 Transverse Reinforcement Ratio Effects on Moment and Rotation 

Figure 6.41 demonstrates that increase in transverse reinforcement ratio produced 

virtually no effect in moment throughout the column. 

 

Figure 6.41:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Moment 

These results agree with steel‐jacketed column seismic research which shows no effect in 

moment capacity with variation in transverse reinforcement ratio, as discussed in Section 

2.5.2. 

Increased rotation is commonly associated with increased transverse reinforcement 

ratio due to the increase in concrete confinement that it produces and corresponding 

greater concrete core ductility.  Figure 6.42 demonstrates that increased transverse 

reinforcement produces an increase in rotation at the base of the column under blast and 

‐11,063 ‐6,063 ‐1,063 3,937 8,937

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.5E+10 ‐5E+09 5E+09 1.5E+10

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

3_a0v0j1g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

4_a0v0j1g1

8_a0v1j1g1

Page 159: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 146  

has little effect at the top of the column for all parametric columns with the exception of 

Columns 1 and 5, 4 and 8 and 10 and 14 (see Table 3.4).   

 

Figure 6.42:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Rotation 

Reduction in rotation capacity of these models is speculated to be caused by an increase in 

lateral stiffness associated with increased transverse reinforcement ratio.  Lateral stiffness 

increase could cause the columns to perform less ductile at the base and increase direct 

shear demand increasing deflections rather than rotations.  However, given the large 

number of cases where exceptions to increased rotation exist, no conclusive observations 

could be made on effects of transverse reinforcement ratio variation on the rotational 

response of blast loaded columns. 

6.5.3 Jacket Thickness Ratio Effects on Moment and Rotation 

Figure 6.43 demonstrates that increase in jacket thickness ratio produced increase 

in moment throughout the height of the column and at the base for models without a steel 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation (rads)

3_a0v0j1g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

4_a0v0j1g1

8_a0v1j1g1

Page 160: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 147  

jacket gap.  Figure 6.44 demonstrates that increase in jacket thickness ratio produces 

increase in moment throughout the height of the column and a decrease in moment at the 

base for models containing a steel jacket gap.   

 

Figure 6.43:     Jacket Thickness Ratio Effects on Moment for Columns without Gap 

 

Figure 6.44:     Jacket Thickness Ratio Effects on Moment for Columns with Gap 

‐11,063 ‐6,063 ‐1,063 3,937 8,937

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.5E+10 ‐5E+09 5E+09 1.5E+10

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

1_a0v0j0g0

3_a0v0j1g0

5_a0v1j0g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

11_a1v0j1g0

13_a1v1j0g0

15_a1v1j1g0

‐11,063 ‐6,063 ‐1,063 3,937 8,937

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.5E+10 ‐5E+09 5E+09 1.5E+10

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

2_a0v0j0g1

4_a0v0j1g1

6_a0v1j0g1

8_a0v1j1g1

10_a1v0j0g1

12_a1v0j1g1

14_a1v1j0g1

16_a1v1j1g1

Page 161: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 148  

The increases in moment in all cases are due to the increase in steel cross‐sectional area, 

and therefore, an increase in flexural resistance due to a stiffer steel jacket and due to the 

jacket being placed at the critical flexural location.  The dramatic reduction in moment 

capacity at the base for columns having a gap is not advantageous because they are not 

developing the additional flexural resistance provided by the jacket at the critical base 

section.  This increased resistance is largely shifted to the next critical section, located at 

mid‐height of the column.  This observation may also be a clue to the contradictory 

observations in both normalized direct shear, and cross‐sectional strain values for columns 

containing steel jacket gaps and high jacket thickness ratios.  As stated in Section 6.3.7, 

parametric Models 2 and 4 show a disadvantageous increase in normalized direct shear 

when the jacket thickness ratio is increased, which is contradictory to all other parametric 

models.  This may be caused by a shift in resistance at the base of the column from flexural 

to direct shear due to the increased flexural capacity and stiffness at mid‐height of the 

column from the thicker steel jacket.  Figure 6.44 shows this shift in flexural capacity at the 

base of the column between Models 2 and 4, while Figure 6.25 shows the increase in 

normalized direct shear due to this shift in resistance caused by the increased jacket 

thickness ratio. 

Figure 6.45 demonstrates that increase in jacket thickness ratio produced a 

decrease in rotation at both the base and top of the column. 

Page 162: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 149  

 

Figure 6.45:     Jacket Thickness Ratio Effects on Rotation 

Once again, this observation supports the above argument that increased jacket thickness 

ratio may be detrimental to increased rotational resistance at the column base, just as with 

moment resistance, although not all parametric models are in agreement.  Observed 

decrease in both moment and rotation for columns having high jacket thickness ratios and 

steel jacket gaps, although not completely conclusive, agrees with increases in direct shear 

demand discussed in Sections 6.3.3 and 6.3.7 and may be detrimental to blast resistance. 

6.5.4 Jacket Gap Ratio Effects on Moment and Rotation 

Figure 6.46 demonstrates that increase in jacket gap ratio produced an increase in 

moment along the height of the column and a decrease in moment at the base of the 

column.   

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation (rads)

1_a0v0j0g0

3_a0v0j1g0

6_a0v1j0g1

8_a0v1j1g1

10_a1v0j0g1

12_a1v0j1g1

Page 163: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 150  

 

Figure 6.46:     Jacket Gap Ratio Effects on Moment 

For columns containing a steel jacket gap, moment resistance is relocated from the critical 

base section to locations further up the column.  These critical section relocation patterns 

mimic the hinging patterns within the columns as shown in Figure 6.47 for Column 8, 

which has a steel jacket gap.   

 

Figure 6.47:     Column 8_a0v1j1g1 Base Hinge Formation 

‐11,063 ‐6,063 ‐1,063 3,937 8,937

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.5E+10 ‐5E+09 5E+09 1.5E+10

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

Page 164: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 151  

This figure shows the formation of a hinge at the base of Column 8 in terms of plastic strain.  

Due to the hinge formation at its base, Column 8 shifts moment resistance to the mid‐height 

of the column, as shown in Figure 6.46.  Therefore, increase in the gap reduces the 

likelihood of ductile flexural failures by allowing hinges to be formed at the base and 

shifting the resistance to the mid‐height of the column which increases the likelihood of 

more brittle failures, such as direct shear which is detrimental to blast resistance. 

Figure 6.48 demonstrates that increase in jacket gap ratio produces increase in 

rotation at the top of columns and decrease in rotation at the base of columns with low 

aspect ratios.  Figure 6.49 demonstrates that increase in jacket gap ratio produces increase 

in rotation both at the base and top of columns with high aspect ratios.     

 

Figure 6.48:     Jacket Gap Ratio Effects on Rotation for Columns with Low Aspect Ratios 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation (rads)

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

Page 165: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 152  

 

Figure 6.49:     Jacket Gap Ratio Effects on Rotation for Columns with High Aspect Ratio 

Increase in the jacket gap produced a decrease in the column’s rotational capacity at the 

critical base section, which is exaggerated in columns with low aspect ratios that are more 

susceptible to brittle failures at the base and is detrimental to blast resistance.  

Observations showing an increase in rotation for columns having both high jacket gap and 

aspect ratios are substantiated by the increase in rotational capacity for columns 

containing a high aspect ratio, as discussed in Section 6.5.1, combined with the increase in 

rotation observed for columns containing low jacket thickness ratio (such as in the areas 

containing a gap), as discussed in Section 6.5.3.  

6.5.5 Aspect Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation 

Figure 6.50 demonstrates that for the majority of the parametric models increased 

aspect ratio decreased both normalized moment and rotation.   

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation (rads)

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Page 166: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 153  

 

Figure 6.50:     Aspect Ratio Effects on Normalized Moment­Rotation 

This decrease in both normalized moment and rotation is due to the increase in the flexural 

capacity associated with higher aspect ratios, as discussed in Section 6.5.1, which is 

advantageous to blast resistance. 

Outliers to this trend are shown in Figure 6.51 where increase in aspect ratio 

produced the same decrease in normalized moment, however increased normalized 

rotation.   

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

1_a0v0j0g0

9_a1v0j0g0

2_a0v0j0g1

10_a1v0j0g1

3_a0v0j1g0

11_a1v0j1g0

5_a0v1j0g0

13_a1v1j0g0

Page 167: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 154  

 

Figure 6.51:     Aspect Ratio Effects for Outliers on Normalized Moment­Rotation 

As discussed in Section 6.4.2, this can be attributed to two reasons.  The first is the 

observation of a direct shear failure for the static moment‐rotation capacity analysis 

models which experienced reduced rotational capacity at this slower loading rate for the 

outlier models.  The second contributor is that the increased loading rate associated with 

the blast models allowed the columns to experience higher rotations than that of their 

static capacity analysis model counterparts.  Once again, as discussed for general 

observations on normalized moment‐rotation values above unity in Section 6.4.2, it 

appears that the steel jacket offers more benefits to the rotation capacities, for certain blast 

models, as the strain rate increases.  Therefore, the outliers showed larger normalized 

rotation values not due to of a reduction in capacity, but rather due to an increase in the 

rotation capacity at higher strain rates, which is also advantageous to blast resistance. 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

4_a0v0j1g1

12_a1v0j1g1

6_a0v1j0g1

14_a1v1j0g1

8_a0v1j1g1

16_a1v1j1g1

Page 168: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 155  

 

6.5.6 Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalize Moment‐Rotation 

As discussed in Section 2.5.2 transverse reinforcement ratio has the greatest effect 

on column rotation capacity and virtually no effect on column moment capacity, and 

therefore, the focus of this section is on the variation of normalized rotation only.  Figure 

6.52 shows that for the majority of the parametric models an increase in transverse 

reinforcement ratio produced a decrease in normalized rotation.   

 

Figure 6.52:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Normalized Moment­Rotation 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

1_a0v0j0g0

5_a0v1j0g0

2_a0v0j0g1

6_a0v1j0g1

3_a0v0j1g0

7_a0v1j1g0

10_a1v0j0g1

14_a1v1j0g1

Page 169: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 156  

This effect can be associated to the increase in confinement within the column, and is 

advantageous in blast resistance.  However, Figure 6.53 conversely demonstrates that 

increase in transverse reinforcement produced an increase in normalized rotation.   

 

Figure 6.53:     Transverse Reinforcement Ratio Effects for Outliers on Normalized Moment­Rotation 

The reason behind this effect may once again be due to the column’s susceptibility to direct 

shear failure, even in flexure capacity analysis models, which would decrease the 

denominator values and the increases in column capacity at high strain rates, as discussed 

in Sections 6.4.2 and 6.5.5, which would increase the numerator value resulting in 

increased normalized rotation.  As seen in Figure 6.54, the comparison of moment‐rotation 

capacity curves shows a decrease in the rotational capacity as transverse reinforcement 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

11_a1v0j1g0

15_a1v1j1g0

12_a1v0j1g1

16_a1v1j1g1

Page 170: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 157  

ratio increases supporting the argument of load resistance shifting from flexure to direct 

shear, which is detrimental in blast situations.  

 

Figure 6.54:     Moment­Rotation Capacity Comparison for Outliers 

Given the large number of cases where exceptions to decreased normalized rotation exist, 

no conclusive observations could be made on effects of transverse reinforcement ratio 

variation on the normalized rotation response of blast loaded columns. 

6.5.7 Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation 

The effects of variation in jacket thickness ratio on normalized moment‐rotation are 

shown to be dependent on whether the columns contain a steel jacket gap or not.  Figure 

6.55 shows that for columns without a gap increase in jacket thickness ratio produced 

decrease in normalized moment and rotation with the exception of the Models 9 and 11 

(see Table 3.4).   

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0.00E+00

5.00E+09

1.00E+10

1.50E+10

2.00E+10

2.50E+10

3.00E+10

3.50E+10

4.00E+10

4.50E+10

0.0E+00 5.0E‐02 1.0E‐01 1.5E‐01 2.0E‐01

Mom

ent, M (k­ft)

Mom

ent, M (N­mm)

Rotation, θ (rads)

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

11_a1v0j1g0

15_a1v1j1g0

12_a1v0j1g1

16_a1v1j1g1

Page 171: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 158  

 

Figure 6.55:     Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Moment­Rotation for Columns without Gap 

Models 9 and 11 showed increase in jacket thickness ratio produced the same decrease in 

normalized moment while slightly increasing normalized rotation.  However, the majority 

of the models without gaps agreed that increasing jacket thickness ratio is beneficial for 

decreasing both normalized moment and rotation and subsequently beneficial to resisting 

blast loads. 

Figure 6.56 demonstrates that decrease in jacket thickness ratio produced a 

decrease in normalized moment and rotation for columns with a gap in all cases but one.   

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

1_a0v0j0g0

3_a0v0j1g0

5_a0v1j0g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

11_a1v0j1g0

13_a1v1j0g0

15_a1v1j1g0

Page 172: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 159  

 

Figure 6.56:     Jacket Thickness Ratio Effects on Normalized Moment­Rotation for Columns with Gap 

Models 2 and 4 showed the same decrease in rotation; however, they showed that decrease 

in jacket thickness ratio produced increased normalized moment.  However, the majority of 

the models with gaps agreed that decreasing jacket thickness ratio is beneficial for 

decreasing both normalized moment and rotation and subsequently beneficial to resisting 

blast loads. 

6.5.8 Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Moment‐Rotation 

Just as in the direct shear discussion, the reduction of jacket gap ratio produced an 

overall flexural effect of decrease in both normalized moment and rotation, as seen in 

Figure 6.57. 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

2_a0v0j0g1

4_a0v0j1g1

6_a0v1j0g1

8_a0v1j1g1

10_a1v0j0g1

12_a1v0j1g1

14_a1v1j0g1

16_a1v1j1g1

Page 173: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 160  

 

Figure 6.57:     Jacket Gap Ratio Effects on Normalized Moment­Rotation 

This observation is contributed to the increase in flexural capacity associated with the 

decrease in jacket gap ratio which is advantageous in resisting blast loads. 

6.6 Transverse Shear  

The final failure mode discussed in this study is transverse shear.  Transverse shear 

is defined as the shear experienced along the height of the column due to the lateral blast 

load.  Although research has not shown this failure mode to be of concern in steel‐jacketed 

columns under blast loads (Fujikura & Bruneau, 2008), it is typically considered in the 

design of bridge columns (AASHTO, 2007), and therefore, was examined in this study.  

Variation in the vertical distribution of axial strains in hoop reinforcement and 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

Page 174: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 161  

Cross‐sectional cuts at 10% column height intervals 

corresponding strains in steel jackets were used to assess the resistance of the columns to 

transverse shear. 

6.6.1 Transverse Strain Profiles 

Transverse strain profiles were obtained from the parametric models by reporting a 

maximum, minimum, and average axial strain value for the hoop reinforcement and the 

corresponding strains for the steel jacket at each of the eleven transverse shear planes 

throughout the height of the column.  This is demonstrated in Figure 6.58.   

 

Figure 6.58:     Transverse Strain Profile Definition 

 

 

 

Maximum, minimum, and average values of all 72 hoop elements 

Maximum, minimum, and average values of all 96 steel jacket elements 

Page 175: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 162  

Maximum, minimum and average values were used to evaluate performance and 

ranges of transverse shear distribution along the height of the columns to determine an 

acceptable limit at which to report the distribution of transverse strain within one 

particular hoop or corresponding steel jacket cross‐section. The critical analysis time for all 

parametric models was 7.5ms (see Figure 6.59) and will be used for all transverse strain 

profiles. 

 

Figure 6.59:     9_a1v0j0g1 Average Transverse Strain Time History 

A representative transverse strain profile is shown in Figure 6.60 for parametric 

Model 2_a0v0j0g1 (see Table 3.4).  This column experienced some of the highest transverse 

shear strains in the hoop reinforcement and the steel jacket, and therefore, a high 

transverse shear demand.  All parametric model transverse strain profiles are located in 

Appendix E. 

7.50E‐03

0.0E+002.0E‐044.0E‐046.0E‐048.0E‐041.0E‐031.2E‐031.4E‐031.6E‐031.8E‐032.0E‐03

0.0E+00 5.0E‐02 1.0E‐01 1.5E‐01 2.0E‐01 2.5E‐01 3.0E‐01

Average Transverse Strain 

[(mm/m

m) or (in/in)]

Time (sec)

Page 176: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 163  

 

Figure 6.60:     2_a0v0j0g1 Transverse Strain Profile 

The variation in transverse strain between minimum and maximum values can be 

associated with localized hoop and jacket deformation caused by the blast load.  All 

parametric column transverse strain plots showed the range between the minimum and 

maximum strains in the hoops and jacket  decreasing as you moved  away from the column 

base and blast load, with slight increases in the range occurring  at the top due to restraint 

conditions.  Columns containing high aspect ratios (see Table 3.4) showed smaller 

transverse strain ranges along their height (see Figure 6.61). 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐0.004 ‐0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Column Height (in)

Column Height (mm)

Trans Strain [(mm/mm) or (in/in)]

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 177: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 164  

 

Figure 6.61:     9_a1v0j0g1 Transverse Strain Profile 

 Since high aspect ratio correspond to taller columns, upper portions of these columns 

experienced less local deformation due to the blast which contributed to the  transverse 

strain range reduction.  This demonstrates that the local deformation due to the blast is a 

major contributor to the range in transverse strain plotted in these graphs.  To account for 

more global or cumulative behavior in the hoops and jacket the average value was used as 

a method of transverse strain comparison with the local blast effects.  Figure 6.62 and 

Figure 6.63 plot all parametric column average transverse shear strain profiles for the hoop 

reinforcement and steel jackets, respectively.

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐2.E‐03 ‐1.E‐03 ‐5.E‐04 0.E+00 5.E‐04 1.E‐03 2.E‐03 2.E‐03 3.E‐03

Column Height (in)

Column Height (mm)

Transverse Strain [(mm/mm) or (in/in)]

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 178: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 165  

 

Figure 6.62:     Hoop Average Transverse Strain Comparison 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

5_a0v1j0g0

6_a0v1j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Page 179: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 166  

 

Figure 6.63:     Steel Jacket Average Transverse Strain Comparison 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in /in )]

1_a0v0j0g0

2_a0v0j0g1

3_a0v0j1g0

4_a0v0j1g1

5_a0v1j0g0

6_a0v1j0g1

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

15_a1v1j1g0

16_a1v1j1g1

Page 180: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 167  

Comparison of the hoop and steel jacket average transverse strains shows relatively low 

strains magnitudes in all the parametric columns.  These findings agree with previous 

steel‐jacketed column blast effectiveness research, which did not identify transverse shear 

as a critical condition.  Furthermore, almost all average transverse strain values are in 

tension showing resistance to transverse shear cracking.  The exception to this is at the 

base of parametric columns that had a steel jacket gap.  These models show low values of 

compression strain in the hoops and jacket at the base, which can be attributed to local 

damage from the blast load in the unprotected gap region in similar fashion to the findings 

discussed in above for average transverse strain.   

6.7 Parameter Variation Effects on Transverse Shear 

This section discusses the effects of varying the four critical parameters on the 

transverse shear.    The effects of the individual parameters on average transverse strain 

profiles are discussed for representative model results.   

6.7.1 Aspect Ratio Effects on Average Transverse Strain 

Figure 6.64 and Figure 6.65 demonstrate that increase in aspect ratio produced 

decrease in hoop reinforcement and steel jacket average transverse strain respectively. 

Page 181: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 168  

 

Figure 6.64:     Aspect Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

9_a1v0j0g0

2_a0v0j0g1

10_a1v0j0g1

7_a0v1j1g0

15_a1v1j1g0

8_a0v1j1g1

16_a1v1j1g1

Page 182: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 169  

 

Figure 6.65:     Aspect Ratio Effects on Steel Jacket Transverse Strain 

As shown in Sections 6.5.1 and 6.5.5  increased aspect ratio encourages flexural resistance, 

especially at the base of the columns, and therefore transverse shear along the height of the 

column, but most notably at the base, is reduced which is advantageous to both transverse 

shear and blast resistance. 

6.7.2 Transverse Reinforcement Ratio Effects on Average Transverse Strain 

Figure 6.66 and Figure 6.67 demonstrate that increase in transverse reinforcement 

ratio produced decrease in hoop reinforcement and steel jacket average transverse strain 

respectively. 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in /in )]

1_a0v0j0g0

9_a1v0j0g0

2_a0v0j0g1

10_a1v0j0g1

7_a0v1j1g0

15_a1v1j1g0

8_a0v1j1g1

16_a1v1j1g1

Page 183: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 170  

 

Figure 6.66:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain 

 

Figure 6.67:     Transverse Reinforcement Ratio Effects on Steel Jacket Average Transverse Strain 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0002 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

3_a0v0j1g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

4_a0v0j1g1

8_a0v1j1g1

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in /in )]

3_a0v0j1g0

7_a0v1j1g0

9_a1v0j0g0

13_a1v1j0g0

4_a0v0j1g1

8_a0v1j1g1

Page 184: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 171  

This agrees with seismic steel‐jacketed column research and is due to the increase in 

transverse steel area which reduces strains within the material itself and contributes more 

toward transverse shear resistance reliving demand on the steel jacket.  However, increase 

in transverse reinforcement ratio has been shown to be detrimental to direct shear 

resistance, as discussed in Sections 6.3.2 and 6.3.6, and its effects on the flexural resistance 

of blast loaded columns are unclear (see Sections 6.5.2 and 6.5.6).   Direct shear results 

coupled with the knowledge that transverse shear is not a critical condition denotes that 

decrease in transverse reinforcement ratio is more advantageous to resisting the more 

critical direct shear failure and blast. 

6.7.3 Jacket Thickness Ratio Effects on Average Transverse Strain 

Figure 6.68 and Figure 6.69 demonstrate that increase in jacket thickness ratio 

produces decrease in hoop reinforcement and steel jacket average transverse strain 

respectively.   

Page 185: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 172  

 

Figure 6.68:     Jacket Thickness Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain 

 

Figure 6.69:     Jacket Thickness Ratio Effects on Steel Jacket Average Transverse Strain 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

1_a0v0j0g0

3_a0v0j1g0

6_a0v1j0g1

8_a0v1j1g1

10_a1v0j0g1

12_a1v0j1g1

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in /in )]

1_a0v0j0g0

3_a0v0j1g0

6_a0v1j0g1

8_a0v1j1g1

10_a1v0j0g1

12_a1v0j1g1

Page 186: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 173  

As in the previous section this is due to the increase in steel jacket area which reduces 

strains within the material itself and contributes more toward transverse shear resistance 

reliving demand on hoop reinforcement.  Increase in jacket thickness ratio agrees with 

direct shear and flexure results for column without a steel jacket gap.  However, increase in 

jacket thickness is in disagreement with flexure and direct shear results for columns with a 

gap, although normalized direct shear results for columns with a gap are unclear.  

Therefore it is most likely advantageous to decrease jacket thickness ratio for columns with 

a gap to increases blast resistance, although normalized direct shear results are unclear on 

this matter. 

6.7.4 Jacket Gap Ratio Effects on Average Transverse Strain 

Figure 6.70 and Figure 6.71 demonstrate that increase in jacket gap ratio produces a 

slight decrease in hoop reinforcement and steel jacket average transverse strain 

respectively throughout the height of the column and an increase in hoop reinforcement 

and steel jacket average transverse strain at the column base.   

Page 187: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 174  

 

Figure 6.70:     Jacket Gap Ratio Effects on Hoop Average Transverse Strain 

 

Figure 6.71:     Jacket Gap Ratio Effects on Steel Jacket Average Transverse Strain 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0002 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015

Column Height (in)

Column Height (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in /in )]

7_a0v1j1g0

8_a0v1j1g1

11_a1v0j1g0

12_a1v0j1g1

13_a1v1j0g0

14_a1v1j0g1

Page 188: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 175  

The sharp decrease in transverse strain at the base of the columns show that columns with 

a steel jacket gap are not developing both the hoop’s and jacket’s resistance to shear at this 

location subjecting them to a possible brittle failure mode. 

6.8 Additional Parametric Results 

Results summarized herein were obtained from two additional parametric models 

discussed in Section 3.7:  9_a1v0j0g0_Not Fixed and 10_a1v0.  These models were used to 

examine the importance of steel jacket base fixity for retrofitted columns without a steel 

jacket gap and the overall advantages of steel jacket retrofitting for columns subjected to 

blast loads.  Both direct shear and flexure failure parameters were used to assess these 

columns for blast resistance.  Since transverse shear was not shown to be a critical failure 

mode in the previous sections, it was not considered for these additional columns. 

6.8.1 Steel Jacket Base Fixity Effects on Blast Resistance 

Direct shear and flexure resistance for similarly proportioned steel‐jacketed 

columns having varying levels of jacket fixity at the base were evaluated by comparing 

three columns:  Model 9_a1v0j0g0, Model 9_a1v0j0g0_Not Fixed (9_Not Fixed) and Model 

10_a1v0j0g1.  These models represent slender columns with low transverse reinforcement 

ratios and low jacket thickness ratios.  The jacket gaps for these models vary from not 

having a steel jacket gap with the jacket fixed to the foundation, to columns with jackets 

that bear on the foundation, to a 50 mm (2”) jacket gap.  The importance of steel jacket 

fixity on blast resistance is evaluated through comparisons of:  axial cross‐section strain 

profiles in the longitudinal reinforcing bars and the steel jackets; normalized direct shear, 

moment and rotation diagrams; and normalized moment‐rotation plots.  

Page 189: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 176  

Figure 6.72 shows the axial cross‐section strain profiles for longitudinal 

reinforcement at the column base as defined in the previous sections.   

 

Figure 6.72:     Steel Jacket Fixity Effects on Longitudinal Bar Axial Cross­section Strain at Base 

As discussed in Section 6.3.4, strains in the longitudinal bars were shown to decrease as the 

jacket gap ratio decreased.  This is shown in Figure 6.72 where Model 9 bar strains are 

lower that Model’s 10.  This suggests less direct shear demand at the base and better blast 

resistance.  However, as shown through Model 9_Not Fixed results, if fixity of the steel 

jacket is removed only relying on the bearing of the jacket on the foundation surface, 

longitudinal bar strains increased beyond the level of Model’s 10 results, which has a steel 

jacket gap.  This signifies that bearing of the jacket on the foundation has increased direct 

shear demand.  It is suspected that the steel jacket in Model 9_Not Fixed may essentially be 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

9_a1v0j0g0_Not Fixed

Blast Side

Back Side

Page 190: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 177  

causing prying of the longitudinal bars due to its bearing on the foundation surface, as 

shown in Figure 6.73.   

 

 

Figure 6.73:     Steel Jacket Bearing and Prying 

This prying action may be leading to the higher longitudinal bar strains observed in Figure 

6.72. 

Figure 6.74 shows the axial cross‐section strain profiles for steel jackets at the 

column base.  Note that steel jacket strain values for Model 9_Not Fixed were not only 

reported directly at the base of the column, but also were reported at the same location as 

Model 10, which is 50 mm (2”) from the base of the column (see Figure 6.4).  

Blast Side  Back Side 

Increased Uplift due to Prying  Increased Rotation 

due to Prying 

Steel Jacket Bearing 

Increased dowel action due to Prying 

Page 191: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 178  

 

Figure 6.74:     Steel Jacket Fixity Effects of on Steel Jacket Axial Cross­section Strain at Base 

This profile comparison shows that steel jackets contribute little to the resistance of direct 

shear when they are not fixed to the foundation.  This is shown by the low values of jacket 

strain, and therefore direct shear resistance contribution, in Models 9_Not Fixed and 10.  

Whereas, Model 9 shows higher jacket strains that are distributed between tension and 

compression signifying a flexural resistance to the blast load at the base.  Jacket strains for 

Models 9_Not Fixed and 10, which are reported at the same location 50 mm (2”) up from 

the base of the column are comparable.  However, Model 9_Not Fixed shows slightly higher 

jacket contribution and strain in the back side of the cross‐section. 

Figure 6.75 compares the normalized direct shear values for the three columns. 

‐30

‐20

‐10

0

10

20

30

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐0.015 ‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01 0.015

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

9_a1v0j0g0

9_a1v0j0g0_Not Fixed reported at base

9_a1v0j0g0_Not Fixed reported at same location as Model 1010_a1v0j0g1

Blast Side

Back Side

Page 192: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 179  

 

Figure 6.75:     Steel Jacket Fixity Effects on Normalized Direct Shear at Base 

This plot demonstrates that Model 9_Not Fixed behaves similarly to Model 10, which has a 

gap of 50 mm (2”).  Column 9_Not Fixed showed high normalized direct shear, and 

therefore, direct shear demand.  However, its normalized value was slightly lower than 

Model 10.  This decrease in normalized direct shear is due to the increased frictional force 

at the base cross‐section due to the jacket bearing at this location. 

Figure 6.76 considers flexure through moment diagram comparisons between the 

three columns. Diagrams are plotted along the height of the column. 

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

9_a1v0j0g0 9_a1v0j0g0_Not Fixed 10_a1v0j0g1

V/Vult

Parametric Model

Page 193: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 180  

 

Figure 6.76:     Steel Jacket Fixity Effects on Moment 

This figure shows that Model 9_Not Fixed behaves very similarly to Model 10 both at the 

base and along the column height.  Therefore, insignificant moment capacity at any location 

in the column is gained from extending the steel jacket to the foundation of the column 

without developing its fixity. 

Figure 6.77 compares rotation along the height of the three columns. 

‐7,376 ‐5,376 ‐3,376 ‐1,376 624 2,624 4,624 6,624

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1E+10 ‐5E+09 0 5E+09 1E+10

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

9_a1v0j0g0_Not Fixed

Page 194: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 181  

 

Figure 6.77:     Steel Jacket Fixity Effects on Rotation 

Although, moment capacity effects were insignificant for these columns, the rotation at the 

base of Model 9_Not Fixed more than double in value compared to Model 10.  This 

increased rotation showed decreased flexural resistance and may once again be due prying 

or increased uplift on the blast side of the cross‐section due to the increased stiffness and 

bearing of the steel jacket on the back side of the column (see Figure 6.73). 

The final flexure consideration for comparison of the three columns is normalized 

moment‐rotation, as shown in Figure 6.78. 

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Column Height (in)

Column Height (mm)

Rotation (rads)

9_a1v0j0g0

10_a1v0j0g1

9_a1v0j0g0_Not Fixed

Page 195: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 182  

 

Figure 6.78:     Steel Jacket Fixity Effects on Normalized Moment­Rotation 

This plot agrees with the moment and rotation diagrams by showing the slight decrease in 

normalized moment for Model 9_Not Fixed signifying increased moment resistance, while 

the normalized rotation value increased dramatically and was above unity signifying a drop 

in rotation resistance.  As was discussed earlier, the increase in normalized rotation 

beyond unity can be attributed an increase in material capacity associated with increased 

loading rate during a blast event. 

The model that had the jacket bearing on the foundation demonstrated a slight 

decrease in normalized direct shear when compared to the column with a steel jacket gap.  

However, it showed little effect in moment resistance at the base and an increase in 

longitudinal reinforcement axial cross‐section strain, base rotation and normalized 

rotation due to prying of the steel jacket.   Therefore, due to the inconsistencies between 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.1 1 10

M/M

ult

θ/θult (log10)

9_a1v0j0g0

9_a1v0j0g0_Not Fixed

10_a1v0j0g1

Page 196: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 183  

results the blast resistance benefits of extending the steel jacket so that it bears on the 

foundation is inconclusive and may suggest that this level of base fixity is detrimental to 

blast resistance. 

6.8.2 Steel Jacket Retrofitting Effects on Blast Resistance 

The effects of including a steel jacket on direct shear and flexural blast resistance 

were examined by comparing the behavior of steel‐jacketed Model 10_a1v0j0g1 to a 

similar unjacketed Model 10_a1v0 (10_Unjacketed).  Steel‐jacketed Model 10 showed some 

of the highest blast resistance among the columns having a steel jacket gap.  Both are 

slender columns with low transverse reinforcement ratios. In addition, Model 10_a1v0j0g1 

has low jacket thickness ratio and high jacket gap ratio.  The importance of steel jacket 

retrofitting on blast resistance was evaluated through comparisons of observed damage, 

longitudinal reinforcing bar axial cross‐section strain profiles, normalized direct shear 

comparisons, moment diagrams, and normalized moment comparisons.   

One of the most notable differences between jacketed and unjacketed models was 

erosion and damage of the concrete at blast level for Model 10_Unjacketed that was not 

shown in Model 10.  Figure 6.79a‐c compares levels of damage between the unjacketed and 

jacketed models via plastic strain contours at the same analysis time step.  Figure 6.79a and 

Figure 6.79b show Model 10 plastic strain contours for the steel jacket and the concrete on 

the inside of the jacket, respectively.  Figure 6.79c shows Model 10_Unjacketed plastic 

strain contours. 

Page 197: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 184  

 a.)    b.)    c.) 

Figure 6.79:     Plastic Strain Damage Contours – a.) Model 10 steel jacket, b.) Model 10 concrete inside jacket, c.) Model 10_Unjacketed 

These figures show extensive damage that occurred in the unjacketed column at the blast 

level.  Complete erosion of the cross‐section was observed in the column at the blast level 

that subsequently contributed to complete failure and collapse of the column.  The jacketed 

column, however, showed no concrete erosion under the steel jacket.  Small areas of 

damage were observed at the base of the column where the gap existed but these did not 

lead to column failure. 

In consideration of direct shear, Figure 6.80 shows axial cross‐section strain profiles 

for longitudinal reinforcement of the jacketed and unjacketed columns. 

Blast Direction 

Page 198: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 185  

 

Figure 6.80:     Steel Jacket Retrofitting Effects on Longitudinal Bar Axial Cross­section Strain at Base 

Although reductions in longitudinal bar strains were observed on the blast side of the 

Column 10_Unjacketed, large increases in strain beyond Model 10 values on the back side 

of the cross‐section were also evident.  A larger variation in strains was observed in the 

unjacketed model, whereas the jacketed model was able to distribute the demand more 

evenly through all longitudinal bars in the cross‐section.  Overall, the jacketed model 

showed higher direct shear resistance. 

Figure 6.81 compares the normalized direct shear values for the two columns. 

‐28

‐18

‐8

2

12

22

‐711.2

‐511.2

‐311.2

‐111.2

88.8

288.8

488.8

688.8

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014

Distance fm

 Centroid (in)

Distance fm

 Centroid (mm)

Axial Strain [(mm/mm) or (in/in)]

10_a1v0j0g1 Jacketed

10_a1v0 Unjacketed

Blast Side

Back Side

Page 199: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 186  

 

Figure 6.81:     Steel Jacket Retrofitting Effects on Normalized Direct Shear 

This figure demonstrates that normalized direct shear was reduced in the unjacketed 

model. However, the direct shear value for Model 10 reached higher levels due to the 

presence of the jacket and its enhanced contribution to resisting direct shear at high 

loading rates. 

Figure 6.82 compares moment diagrams along the height of the two columns. 

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

10_a1v0j0g1 Jacketed 10_a1v0 Unjacketed

V/Vult

Parametric Model

Page 200: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 187  

 

Figure 6.82:     Overall Steel Jacket Retrofitting Effects on Moment 

This plot shows that both columns reach similar values of maximum moment at the base.  

The jacketed column was able to more evenly distribute the moment along the height of the 

column while Model 10_Unjacketed showed high moments towards the base of the column 

and virtually no moment at the top.  This lack of moment distribution along the unjacketed 

column prevented proper flexural resistance and contributed to failure at blast level. 

The final flexure consideration for comparison of the two columns is normalized 

moment in Figure 6.83. 

‐3000 ‐2000 ‐1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0

100

200

300

400

500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐2E+09 0 2E+09 4E+09 6E+09

Moment (k­ft)

Column Height (in)

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

10_a1v0 Unjacketed

10_a1v0j0g1 Jacketed

Page 201: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 188  

 

Figure 6.83:     Overall Steel Jacket Retrofitting Effects on Normalized Moment 

This plot demonstrates a large increase in normalized moment for the unjacketed column.  

This increase, compared to Model 10, is due to larger moment demand in the column with 

respect to a decreased capacity associated with the removal of the steel jacket.  This allows 

Model 10_Unjacketed to achieve values of moment closer to capacity. 

Results in this section clearly demonstrate advantages of steel jacket retrofitting for 

resisting close in blasts.  Local damage and concrete erosion was prominent in the 

unjacketed model case and were not observed in the corresponding jacketed case.  Direct 

shear resistance was also decreased and less evenly distributed throughout the base cross‐

section for the unjacketed model.  Moment was also less evenly distributed along the 

column height and more concentrated at the column base.    As a result, the unjacketed 

model was shown to reach its moment capacity near the base.  Based on these observations 

0.6

0.62

0.64

0.66

0.68

0.7

0.72

0.74

0.76

0.78

10_a1v0j0g1 Jacketed 10_a1v0 Unjacketed

M/M

ult

Parametric Model

Page 202: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 189  

it can be concluded that the jacketed model allowed for better blast resistance by 

increasing direct shear resistance and enhancing flexure resistance along the column 

height. 

 

Page 203: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 190  

Chapter 7 Conclusions 

7.1 Overview 

This Chapter provides recommendations for detailing steel jacket bridge column 

retrofits to resist blast loads.  These recommendations were based on the result 

comparisons from the previous chapter that were governed by the sensitivity of failure 

mode results to the variation of critical parameters.  Finally, recommendations for future 

research are discussed. 

7.1.1 Recommended Steel‐Jacketed Bridge Column Details to Resist Specific Failure Modes 

This section presents a summary of the recommended steel jacket column details 

from Chapter 6.  They are obtained by examining desired effects on the studied failure 

modes (direct shear, flexure and transverse shear) and matching appropriate parameter 

variations those desired effects.  Table 7.1 lists the desired effects in order of failure mode 

importance.  It also describes the advantages of achieving these desired effects with respect 

to blast resistance.  Listed sources used to establish the order of importance are also 

provided. 

Table 7.1:     Desired Result Effects 

Failure Mode 

Importance (greatest to 

least) 

Effect Importance 

(greatest to least) 

Failure Mode

Desired Effect Advantages Source

Direct Shear

1 Decreased Normalized Direct Shear 

Signifies reserve direct shear capacity, offers comparison 

(Fujikura & Bruneau, 2008) 

2  Decreased Long Bar Strain  Signifies decrease in doweling  (ACI, 2008) 

Page 204: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 191  

action

3 Increased Steel Jacket Strain  Signifies contribution of retrofit  Sect. 6.2 & 6.3 

  

Flexure

1 Decreased Normalized Moment 

Signifies reserve moment capacity, offers comparison  Sect. 6.4 & 6.5 

2 Decreased Normalized Rotation 

Signifies reserve rotation capacity, offers comparison  Sect. 6.4 & 6.5 

3  Increased Moment at Base Signifies increase in base flexural resistance  Sect. 6.4 & 6.5 

4  Increased Rotation at Base Signifies increase in base flexural resistance  Sect. 6.4 & 6.5 

5 Decreased Moment throughout Height 

Signifies increase in base flexural resistance (no shift in critical location to mid‐height fm hinge formation at base)  Sect. 6.4 & 6.5 

  

Transverse Shear

1 Decreased Hoop Avg Transverse Strain  Signifies decrease in demand 

(Priestley et al., 1994) 

2 Decreased Jacket Avg Transverse Strain  Signifies decrease in demand 

(Priestley et al., 1994) 

 

Table 7.2 to Table 7.6 summarize recommended variations in parameters to obtain 

the desired effects in relation to each failure mode.  The entries below each critical 

parameter column heading indicate whether an increase or decrease in the respective 

parameter will achieve the desired effect.  Finally, each table contains summary column 

detailing recommendations.  These recommendations are separated for columns having 

steel jacket gaps and for those that have steel jackets developed into the foundation, which 

was an important distinction observed in Chapter 6. 

Table 7.2 lists the recommended variation in parameters to achieve the desired 

effects that contribute most to direct shear resistance.   

Page 205: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 192  

Table 7.2:     Parameter Variation Recommendations to Resist Direct Shear 

Desired Effects in order of importance (least to greatest) 

Aspect Ratio (L/D)

Trans Reinf Ratio (ρs)

Jacket Thickness Ratio (tj/D)

Jacket Gap Ratio (Lg/D)

w/o Gap  w/ Gap  

w/o Gap w/ Gap   

Increased Steel Jacket Strain  no effect  no effect  no effect  decrease  decrease  decrease Decreased Long Bar Strain  increase  increase  decrease  increase  decrease  decrease Decreased Normalized Direct Shear  increase  decrease  decrease  increase  inconclusive  decrease 

Recommendations for Columns w/o Gap  increase  decrease  increase  decrease 

Recommendations for Columns w/ Gap  Inconclusive (increase) decrease  inconclusive (decrease)  decrease 

 

Results for direct shear resistance offer insight for detailing steel‐jacket columns 

with the jackets developed into the foundation.  As summarized in Table 7.2, these columns 

should have high aspect ratios, meaning that they are tall compared to their width.  They 

should have a low transverse reinforcement ratio, meaning that the number of transverse 

hoops should be keep to a minimum, while spacing should be at its maximum possible 

value.  Steel jackets, for these columns, should be as thick as possible and adequate 

development into the foundation is important. 

Detailing to improve direct shear resistance for steel‐jacketed columns having a gap 

is not as conclusive.  Both aspect ratio and jacket thickness ratio results are unclear as to 

the best variation.  However, it is clear that these columns should contain low transverse 

reinforcement ratios and transverse reinforcement spacing should be at the maximum 

Page 206: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 193  

possible distance.  The jacket gap ratio should also be kept to a minimal value to increase 

direct shear resistance. 

 Table 7.3 addresses the influence of jacket base fixity on blast performance and if 

using steel jackets as a blast retrofitting technique was advantageous to achieving the 

desired direct shear effects.  Steel jacket fixity effects on performance were studied relative 

to Model 10_a1v0j0g1, which was shown to have the highest resistance to blast loads 

among columns with a steel jacket gap.  Steel jacket retrofitting was examined relative to 

an unjacketed column. 

Table 7.3:     Steel Jacket Bearing and Retrofitting Recommendations to Resist Direct Shear 

Desired Effects in order of importance (least to greatest) 

Steel Jacket Bearing on the Foundation 

Overall Steel Jacket Retrofitting 

Increased Steel Jacket Strain  no effect  n/a 

Decreased Long Bar Strain  disadvantage  advantage Decreased Normalized Direct Shear  advantage  disadvantage 

Damage and Concrete Erosion  n/a  advantage 

Recommendations for all Columns 

Complete jacket base fixity is most advantageous, however extension to and 

bearing on the foundation helps.  advantage 

 

Direct shear resistance is affected by both the presence of a steel jacket retrofit and 

its base fixity or bearing on the foundation as summarized in Table 7.3.  Steel jacket 

retrofitting avoided excessive concrete damage and erosion and contributed to reduced 

longitudinal bar strains.  Complete steel jacket base fixity was shown to be most 

advantageous in resisting direct shear, however, extension to and bearing on the 

Page 207: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 194  

foundation was also shown to lower normalized direct shear values and enhanced blast 

resistance. 

Table 7.4 lists the recommended parameter variations to achieve desired effects 

that heavily influence flexure resistance.   

Table 7.4:     Recommendations to Enhance Flexure Resistance 

Desired Effects in order of importance (least to greatest) 

Aspect Ratio (L/D) 

Trans Reinf 

Ratio (ρs)Jacket Thickness 

Ratio (tj/D)Jacket Gap Ratio 

(Lg/D) 

    

w/o Gap  w/ Gap 

Low Aspect Ratios 

High Aspect Ratios 

Decreased Moment throughout Height  increase  no effect  decrease  decrease  decrease  decrease 

Decreased Rotation at Base  decrease  inconclusive increase  increase  increase  decrease 

Increased Moment at Base  increase  no effect  increase  decrease  decrease  decrease 

Decreased Normalized Rotation  inconclusive  inconclusive increase  decrease  decrease  decrease 

Decreased Normalized Moment  increase  no effect  increase  decrease  decrease  decrease 

Recommendations for Columns w/o Gap  increase  inconclusive increase  decrease 

Recommendations for Columns w/ Gap  increase  inconclusive decrease  decrease 

 

Details which enhance flexural resistance for steel‐jacketed columns without gaps include 

designing columns with a high aspect ratio, meaning that they are tall compared to their 

width.  Steel jackets should be as thick as possible and their development into the 

foundation is critical. 

Page 208: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 195  

Steel‐jacketed columns with a gap should also be tall compared to their width.  

However, it is more advantageous for flexural resistance to decrease the thickness of the 

steel jacket.  The jacket gap ratio should also be keep to a minimal value to increase flexure 

resistance. 

Table 7.5 addresses the influence of jacket base fixity on blast performance and if 

using steel jackets as a blast retrofitting technique was advantageous to enhance flexural 

resistance.  Steel jacket fixity effects on performance were studied relative to Model 

10_a1v0j0g1, which was shown to have the highest resistance to blast loads among 

columns with a steel jacket gap.  Steel jacket retrofitting was examined relative to an 

unjacketed column. 

Table 7.5:     Steel Jacket Bearing and Retrofitting Recommendations to Enhance Flexure Resistance 

Desired Effects in order of importance (least to greatest) 

Steel Jacket Bearing on the Foundation 

Overall Steel Jacket Retrofitting 

Decreased Moment throughout Height no effect  advantage 

Decreased Rotation at Base  disadvantage  n/a 

Increased Moment at Base  no effect  no effect 

Decreased Normalized Rotation  disadvantage  n/a 

Decreased Normalized Moment  advantage  advantage 

Recommendations for all Columns  inconclusive  advantage 

 

Flexural enhancement was shown to be affected by both the presence of a steel 

jacket and its level of base fixity.  Including a steel jacket retrofit enhanced moment 

resistance both along the height of the column and at its base.  The jacket bearing on the 

Page 209: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 196  

foundation showed an increase in normalized moment value, which is advantageous to 

flexural resistance.  However, little effect on moment resistance at the base was shown and 

base rotation and normalized rotation values were shown to increase due to prying caused 

by the jacket bearing on the foundation.  These inconsistencies between flexural results 

lead to an inconclusive determination of the advantageous of the level of base fixity on 

enhanced flexural resistance. 

Table 7.6 lists the recommended variation in parameters to achieve the desired 

effects which contribute most to transverse shear resistance.   

Table 7.6:     Recommendations to Resist Transverse Shear Failure 

Desired Effects in order of 

importance (least to greatest) 

Aspect Ratio (L/D)

Trans Reinf Ratio (ρs)

Jacket Thickness Ratio (tj/D)

Jacket Gap Ratio (Lg/D) 

     Along Height Base 

Decreased Jacket Avg Transverse Strain  increase  increase  increase  increase  decrease 

Decreased Hoop Avg Transverse Strain  increase  increase  increase  increase  decrease 

Recommendations for all Columns  increase  increase  increase  decrease 

 

Results are not dependent on the steel jacket gap for transverse shear resistance.  Column 

should be slender and should contain the highest amount of transverse reinforcement as 

possible with transverse spacing at a minimum distance.  They should also be detailed with 

steel jackets as thick as possible.  The jacket gap should be keep to a minimal distance.  

Page 210: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 197  

However, as mentioned in Section 6.6, this failure mode is not critical and column detailing 

recommendations for direct shear and flexure supersede these recommendations.   

7.1.2 Recommended Steel‐Jacketed Bridge Column Details to Resist Blast Loads 

This section recommends variations in critical parameters for overall resistance to 

blast loads when considering all three examined failure modes.  Discussion of the critical 

parameters begins by presenting overall recommendations for jacket gap and jacket 

thickness ratios.  Recommendations related to including a steel jacket and its level of base 

fixity are also discussed.  The discussion concludes with recommendations for in the 

column transverse reinforcement and column aspect ratios. 

Decreasing the jacket gap ratio most significantly influenced direct shear resistance, 

which is the most common failure mode of for steel‐jacketed bridge columns under blast.  

In this research, a jacket gap ratio equaling zero, which implied that the jacket was 

developed at the base of the column into the footing, was observed to shift the failure from 

a brittle direct shear mode to a more ductile flexural mode.  This was observed in Table 7.4, 

where decrease in jacket gap ratio produced an increase in moment at the base of the 

column and implied that the column was resisting the load through more largely flexural 

behavior.  It was also shown that extending the steel jacket so that it was bearing on the 

foundation was inconclusive to direct shear resistance and flexural enhancement (see 

Table 7.3 and Table 7.5) and may suggest that this level of base fixity is detrimental to blast 

resistance.  Therefore, the jacket gap should be kept to a minimal distance if developed into 

the foundation to resist blast loads.  

Page 211: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 198  

The presence of the steel jacket was shown to be advantageous for both direct shear 

and flexural resistance compared to unjacketed columns, and therefore, is advantageous to 

blast resistance.  The effects of jacket thickness ratio were shown to be dependent on 

whether the steel‐jacketed column has a gap for both direct shear and flexure.  An increase 

in jacket thickness ratio was advantageous in resisting blast loads for columns that do not 

have a steel jacket gap.  For columns not having a steel jacket gap, steel jackets should be 

detailed at maximum thickness to resist blast loads.  

However, for columns that having a steel jacket gap results were inconclusive 

whether an increased jacket thickness ratio was advantageous.  When considering both 

direct shear failure and flexure, it seemed that a decrease in jacket thickness ratio for 

columns having a gap may be more advantageous.  As mentioned in Section 6.5.3, an 

increase in jacket thickness ratio provided higher flexural capacity and stiffness at column 

mid‐height, but may shift the column’s resistance to blast loads at its base from flexural to 

direct shear. Therefore, for steel­jacketed columns having a gap, the jackets should be 

detailed with a minimum thickness to control lateral stiffness and enhance flexural resistance 

at the column base, thereby increasing blast resistance.  

A decrease in transverse reinforcement ratio proved to be advantageous for the 

resistance of direct shear.  This is not an option in retrofit schemes; however, it is helpful 

for the design of new bridges having steel‐jacketed columns to resist blast loads.  Although, 

a decrease in transverse reinforcement ratio was shown to decrease resistance to 

transverse shear, transverse shear was not shown to be a critical failure mode, and 

therefore, the advantage of increasing direct shear resistance outweighed the disadvantage 

of decreasing transverse shear resistance.  The variation in transverse reinforcement ratio 

Page 212: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 199  

produced inconclusive effects on flexural response for the blast loaded columns.  Once 

again, this may be due to the susceptibility of the columns to failing in direct shear even in 

flexural loading situations.  Therefore, the number of transverse hoops should be keep to a 

minimum, while their spacing should be detailed at maximum possible distance to resist blast 

loads. 

An increase in column aspect ratio was shown to be advantageous for resisting all 

failure mode results except normalized direct shear in columns having steel jacket gaps.  

This is not an option in retrofit schemes; however, it is helpful in the design of new steel‐

jacketed bridge columns to resist blast loads.  The majority of the results, however, 

concluded that columns with high aspect ratios were able to reach higher direct shear 

resistance and increased flexural resistance at the column base.  Therefore, steel­jacketed 

columns not having a steel jacket gap should be detailed with a high aspect ratio to resist 

blast loads. 

The influence of aspect ratio on direct shear was inconclusive for columns having a 

gap.  All results for all failure modes showed that increased aspect ratio is advantageous in 

resisting or promoting their respective desired result effects except the normalized direct 

shear failure mode.  Results from this failure mode conversely showed that decrease in 

aspect ratio was advantageous for preventing direct shear failure.  Since normalized direct 

shear values were considered to be the most important determination of direct shear, and 

therefore, blast resistance (see Table 7.1), no conclusive column aspect ratio 

recommendation can be made for detailing steel­jacketed columns with a gap. 

7.1.3 Recommendations for Future Research 

Page 213: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 200  

Since reduction of jacket gap ratio was the single most beneficial variation of the 

four critical parameters examined in this study, further investigation into methods to 

achieve this are warranted.  However, due to the development of the steel jacket at the 

column base, as in this research, the flexural demand on the footing and possibly the pier 

cap could increase.  Therefore, steel jacket detailing and placement methods that effectively 

development and distribute this demand would be advantageous and may prevent excess 

footing or pier cap damage.  Further investigation into varying steel jacket gap distance 

would also be beneficial as this research only considered two extreme limits with limited 

examination of jacket base fixity effects.  Also, investigating the effects of column cross‐

section geometries would be beneficial to further understanding blast response. 

 

 

Page 214: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 201  

References 

AASHTO, 2007. American Association of State Highway and Transportation Officials LRFD 

Bridge Design Specifications. 4th ed. Washington, D.C. 

ACI, 2008. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318­08) and 

Commentary. Code. Farminton Hills: American Concrete Institute American Concrete 

Institute. 

American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007. AASHTO LRFD 

Bridge Design Specifications. 4th ed. Washington, D.C. 

Arena, K., 2003. Ohio trucker joined al Qaeda jihad. [Online] Available at: 

http://www.cnn.com/2003/LAW/06/19/alqaeda.plea/index.html [Accessed 20 

October 2009]. 

Baylot, J.T., Ray, J.C. & Hall, R.L., 2003. Prediction Method for Response of Steel Bridge 

Beams and Girders to Blast and Fragment Loads. pp.69‐74. 

BlastX, 2001. version 4.2.3.0. San Diego: Science Applications International Corperation. 

(distribution limited to U.S. government agencies and their contractors). 

California Department of Transportation, 2008. Bridge Desing Aids 14­2: Steel Column 

Casing Desing and Details. 

Caltrans, 2008. California Department of Transportation Bridge Desing Aids 14­2: Steel 

Column Casing Desing and Details. 

Page 215: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 202  

Chai, Y.H., 1996. An Analysis of the Seismic Characteristics of STeel‐Jacketed Circular 

Bridge Columns. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 25, pp.149‐

61. 

Chai, Y.H., Priestley, M.J.N. & Seible, F., 1994. Analytical Model for Steel‐Jacketed RC Circular 

Bridge Columns. ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 120, pp.2358‐76. 

Chopra, A.K., 2007. Dynamics of Structures. 3rd ed. Upper Saddle River: Pearson Prentice 

Hall. 

CNN‐News, 2002. Davis reassures public about California landmark threat. [Online] 

Available at: 

http://archives.cnn.com/2002/US/07/17/al.qaeda.videotape/index.html [Accessed 

20 October 2009]. 

Coughlin, A., 2008. Contact Charge Blast Performance of Fiber Reinforced and Polyurea 

Coated Concrete Barriers. MS Thesis. Pennsylvania State Univeristy. 

Evans, B.C. & Collins, M.P., 1998. Response 2000 1v (555.6 B367 1998). Toronto: University 

of Toronto. 

FHWA, 2003. Recommendations for Bridge and Tunnel Security. Washington, D.C.: Federal 

Highway Administration Prepared by the Blue Ribbon Panel on Bridge and Tunnel 

Security. 

Fujikura, S. & Bruneau, M., 2008. Blast Resistance of Siesmically Designed Bridge Piers. In 

The 14th World Conference on Earthquake Engineering. Beijing, China, 2008. 

Page 216: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 203  

Fujikura, S. & Bruneau, M., 2008. Experimental and Analyical Investigation of Blast 

Performance of Seismically Resistant Bridge Piers. Technical Report MCEER 08‐0028. 

Buffalo: Universtiy of Buffalo, State University of New York MCEER. 

Fujikura, S., Bruneau, M. & Lopez‐Garcia, D., 2008. Experimental Investigation of 

Multihazard Resistant Bridge Piers Having Concrete‐Filled Steel Tube under Blast 

Loading. ASCE Journal of Bridge Engineering, pp.586‐94. 

Jenkins, B.M., 1997. Protecting Surface Transportation Systems and Patrons from Terrorist 

Activities ‐ Case Studies of Best Security Practices and a Chronology of Attacks. 

LSTC, 2006. LS­DYNA Theory Manual. Theory Manual. Livermore: Livermore Software 

Technology Company. 

LSTC, 2007. LS­DYNA Keyword User Manual. User Manual. Livermore: Livermore Software 

Technology Corporation. 

Magallanes, J.M., 2008. Importance of concrete material characterization and. WIT 

Transactions on the Built, 98, pp.241‐50. 

Malavar, L.J., Crawford, J.E., Wesevich, J.W. & Simons, D., 1997. A Plasticity Concrete 

Material Model for DYNA3D. Int. J. Impact Engng, 19, pp.847‐73. 

Malvar, L.J., 1998. Review of Static and Dynamic Properties of Steel Reinforcing. ACI 

Materials Journal, 95(5), pp.609‐16. 

Montgomery, D.C., 2009. Design and Analysis of Experiments. 7th ed. Hoboken: John Wilet 

and Sons, Inc. 

Page 217: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 204  

Murray, Y.D., 2007. Users Manual for LS­DYNA Concrete Material Model 159. McLean: FHWA 

APTEK, Inc. 

Murray, Y.D., Abu‐Odeh, A. & Bligh, R., 2007. Evaluation of LS­DYNA Concrete Material Model 

159. McLean: FHWA Texas Transportation Institute. 

Park, Y.J. & Ang, A.H.S., 1985. Mechanistic Seismic Damage Model for Reinforced Concrete. 

ASCE J. Struct. Engrg, 111(4), pp.722‐39. 

Priestley, M.J.N., Seible, F., Xiao, Y. & Verma, R., 1994. Steel Jacket Retrofitting of Reinforced 

Concrete Bridge Columns for Enhanced Shear Strength ‐ Part 1: Theoretical 

Considerations and Test Design. ACI Structural Journal, 91(4), pp.394‐405. 

Priestley, M.J.N., Seible, F., Xiao, Y. & Verma, R., 1994. Steel Jacket Retrofitting of Reinforced 

Concrete Bridge Columns for Enhanced Shear Strength ‐ Part 2: Test Results and 

Comparison with Theory. ACI Structural Journal, 91(5), pp.537‐51. 

Randers‐Pehrson, G. & Bannister, K.A., 1997. Airblast Loading Model for DYNA2D and 

DYNA3D. Army Research Laboratory. 

Sabuwala, T., Linzell, D. & Krauthammer, T., 2005. Finite Element Analysis fo Steel Beam to 

Column Connections Subject to Blast Loads. International Journal of Impact 

Engineering, 31, pp.861‐76. 

Sriram, R., Vaidya, U.K. & Kim, J.‐E., 2006. Blast Impact Response of Aluminum Foam 

Sandwich Composites. Springer Science and Business Media Inc., pp.4023‐39. 

Page 218: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 205  

Vecchio, F.J. & Collins, M.P., 1988. Predicting the Response of Reinforced Concrete Beams 

subjected to Shear using the Modified Compression Field Theory. ACI Structural 

Jorunal. 

Washington State Department of Transportation, 2010. Project Photos. [Online] Available 

at: http://www.wsdot.wa.gov/Projects/I5/SSeattleSeismic/Photos [Accessed 6 

January 2010]. 

Washington State DOT, 2010. Project Photos. [Online] Available at: 

http://www.wsdot.wa.gov/Projects/I5/SSeattleSeismic/Photos [Accessed 6 

January 2010]. 

Wight, J.K. & MacGregor, J.G., 2009. Rinforced Concrete: Mechanics and Design. 5th ed. Upper 

Saddle River: Pearson Prentice Hall. 

Williamson, E.B. & Marchand, K.A., 2006. Recomnedations for Blast‐Resistant Design and 

Retrofit of Typical Highway Bridges. Structures Congress 2006 Structural 

Engineering and Public Safety, p.176. 

Williamson, E.B. et al., 2010. Blast­Resistant Highway Bridges: Design and Detailing 

Guidelines. Washington, D.C.: NCHRP Report 645. 

Winget, D.G., Marchland, K.A. & Williamson, E.B., 2005. Analysis and Design of Critical 

Bridges Subjected to Blast Loads. ASCE Journal of Structural Engineering, pp.1243‐

55. 

 

Page 219: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 206  

   

Page 220: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 207  

Appendix A Axial Cross‐section Strain Profiles 

The appendix contains plots of all parametric model axial cross‐section strain 

profiles throughout the eleven cross‐sections taken along the height of the column.  

Longitudinal bar strain and steel jacket strain are plotted on the same graph at each 

location. 

   

Page 221: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 208  

Model 1_a0v0j0g1: 

1.28E‐02

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 222: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 209  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 223: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 210  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 224: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 211  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 225: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 212  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 226: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 213  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

1_a0v0j0g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 227: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 214  

Model 2_a0v0j0g1: 

 

 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐2.50E‐02 ‐1.50E‐02 ‐5.00E‐03 5.00E‐03 1.50E‐02 2.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 228: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 215  

 

 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 229: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 216  

 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 230: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 217  

 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 231: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 218  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 232: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 219  

 

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

2_a0v0j0g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 233: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 220  

Model 3_a0v0j1g0: 

1.03E‐02

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.5E‐02 ‐1.0E‐02 ‐5.0E‐03 0.0E+00 5.0E‐03 1.0E‐02 1.5E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 234: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 221  

 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 235: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 222  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 236: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 223  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 237: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 224  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 238: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 225  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

3_a0v0j1g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 239: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 226  

Model 4_a0v0j1g1: 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 240: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 227  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 241: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 228  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 242: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 229  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 243: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 230  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 244: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 231  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

4_a0v0j1g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 245: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 232  

Model 5_a0v1j0g0: 

1.35E‐02

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 246: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 233  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 247: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 234  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 248: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 235  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 249: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 236  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 250: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 237  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

5_a0v1j0g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 251: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 238  

Model 6_a0v1j0g1: 

1.98E‐02

1.17E‐04

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02 2.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 252: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 239  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 253: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 240  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 254: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 241  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 255: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 242  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 256: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 243  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

6_a0v1j0g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 257: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 244  

Model 7_a0v1j1g0: 

1.02E‐02

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 258: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 245  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 259: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 246  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 260: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 247  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 261: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 248  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 262: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 249  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

7_a0v1j1g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 263: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 250  

Model 8_a0v1j1g1: 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐5.00E‐03 5.00E‐03 1.50E‐02 2.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 264: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 251  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 265: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 252  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 266: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 253  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 267: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 254  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 268: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 255  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

8_a0v1j1g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 269: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 256  

Model 9_a1v0j0g0: 

1.25E‐02

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 270: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 257  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 271: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 258  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 272: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 259  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 273: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 260  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 274: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 261  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

9_a1v0j0g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 275: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 262  

Model 10_a1v0j0g1: 

4.32E‐04

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 276: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 263  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 277: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 264  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 278: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 265  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 279: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 266  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 280: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 267  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

10_a1v0j0g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 281: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 268  

Model 11_a1v0j1g0: 

7.82E‐03

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 282: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 269  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 283: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 270  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 284: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 271  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 285: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 272  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 286: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 273  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

11_a1v0j1g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 287: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 274  

Model 12_a1v0j1g1: 

5.54E‐05

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 288: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 275  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 289: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 276  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 290: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 277  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 291: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 278  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 292: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 279  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

12_a1v0j1g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 293: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 280  

Model 13_a1v1j0g0: 

1.25E‐02

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐2.E‐02 ‐1.E‐02 ‐5.E‐03 0.E+00 5.E‐03 1.E‐02 2.E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 294: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 281  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 295: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 282  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 296: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 283  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 297: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 284  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 298: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 285  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

13_a1v1j0g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 299: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 286  

Model 14_a1v1j0g1: 

1.04E‐03

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 300: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 287  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 301: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 288  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 302: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 289  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 303: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 290  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 304: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 291  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

14_a1v1j0g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 305: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 292  

Model 15_a1v1j1g0: 

8.82E‐03

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 306: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 293  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 307: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 294  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 308: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 295  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 309: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 296  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 310: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 297  

 

   

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

15_a1v1j1g0 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 311: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 298  

Model 16_a1v1j1g1: 

‐3.00E‐04

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centriod (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 Base Cross­sectional Strain Profile

Long Bar

Jacket

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.10h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 312: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 299  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.20h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.30h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 313: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 300  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.40h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.50h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 314: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 301  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.60h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Back Side

Blast Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.70h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 315: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 302  

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.80h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 0.90h Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 316: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 303  

 

‐762

‐562

‐362

‐162

38

238

438

638

‐1.50E‐02 ‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02

Distance fm

 Centroid (mm)

Long Strain

16_a1v1j1g1 Top Cross­sectional Strain Profile

Long Bars

Jacket

Blast Side

Back Side

Page 317: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 304  

Appendix B Direct Shear Comparisons 

 

 

‐1.50E+07

‐1.00E+07

‐5.00E+06

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

2.00E+07

2.50E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

1_a0v0j0g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.00E+07

‐8.00E+06

‐6.00E+06

‐4.00E+06

‐2.00E+06

0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

2_a0v0j0g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 318: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 305  

 

 

‐2.00E+07

‐1.00E+07

0.00E+00

1.00E+07

2.00E+07

3.00E+07

4.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

3_a0v0j1g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.00E+07

‐8.00E+06

‐6.00E+06

‐4.00E+06

‐2.00E+06

0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

4_a0v0j1g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 319: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 306  

 

 

‐1.50E+07

‐1.00E+07

‐5.00E+06

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

2.00E+07

2.50E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

5_a0v1j0g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.00E+07

‐8.00E+06

‐6.00E+06

‐4.00E+06

‐2.00E+06

0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

6_a0v1j0g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 320: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 307  

 

 

‐2.00E+07

‐1.00E+07

0.00E+00

1.00E+07

2.00E+07

3.00E+07

4.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

7_a0v1j1g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.00E+07

‐8.00E+06

‐6.00E+06

‐4.00E+06

‐2.00E+06

0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

0.00E+00 5.00E‐02 1.00E‐01 1.50E‐01 2.00E‐01 2.50E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

8_a0v1j1g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 321: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 308  

 

 

‐1.50E+07

‐1.00E+07

‐5.00E+06

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

2.00E+07

2.50E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

9_a1v0j0g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.00E+07

‐8.00E+06

‐6.00E+06

‐4.00E+06

‐2.00E+06

0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

10_a1v0j0g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 322: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 309  

 

 

‐2.00E+07

‐1.00E+07

0.00E+00

1.00E+07

2.00E+07

3.00E+07

4.00E+07

5.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

11_a1v0j1g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.50E+07

‐1.00E+07

‐5.00E+06

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

12_a0v0j1g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 323: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 310  

 

 

‐1.50E+07

‐1.00E+07

‐5.00E+06

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

2.00E+07

2.50E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

13_a1v1j0g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.20E+07

‐1.00E+07

‐8.00E+06

‐6.00E+06

‐4.00E+06

‐2.00E+06

0.00E+00

2.00E+06

4.00E+06

6.00E+06

8.00E+06

1.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

14_a1v1j0g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 324: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 311  

 

 

   

‐2.00E+07

‐1.00E+07

0.00E+00

1.00E+07

2.00E+07

3.00E+07

4.00E+07

5.00E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

15_a1v1j1g0 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

‐1.50E+07

‐1.00E+07

‐5.00E+06

0.00E+00

5.00E+06

1.00E+07

1.50E+07

0.00E+00 1.00E‐01 2.00E‐01 3.00E‐01 4.00E‐01 5.00E‐01

Base Cross­sectional Direct Shear Force 

(N)

Time (sec)

16_a1v1j1g1 Direct Shear Comparison at Column Base

Blast

Capacity

Page 325: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 312  

Appendix C Moment and Rotational Diagrams 

This appendix contains the moment and rotational diagrams for each parametric 

model. 

Model 1_a0v0j0g0: 

 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

1_a0v0j0g0 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.E‐02 ‐5.E‐03 0.E+00 5.E‐03 1.E‐02 2.E‐02 2.E‐02 3.E‐02 3.E‐02 4.E‐02 4.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

1_a0v0j0g0 Rotation Diagram

Page 326: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 313  

Model 2_a0v0j0g1: 

 

   

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

2_a0v0j0g1 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02 2.50E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

2_a0v0j0g1 Rotation Diagram

Page 327: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 314  

Model 3_a0v0j1g0: 

 

   

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.50E+10 ‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10 1.50E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

3_a0v0j1g0 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐4.E‐03 ‐2.E‐03 0.E+00 2.E‐03 4.E‐03 6.E‐03 8.E‐03 1.E‐02 1.E‐02 1.E‐02 2.E‐02 2.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

3_a0v0j1g0 Rotation Diagram

Page 328: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 315  

Model 4_a0v0j1g1: 

 

   

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.50E+10 ‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

4_a0v0j1g1 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

4_a0v0j1g1 Rotation Diagram

Page 329: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 316  

Model 5_a0v1j0g0: 

 

   

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

5_a0v1j0g0 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02 2.50E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

5_a0v1j0g0 Rotation Diagram

Page 330: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 317  

Model 6_a0v1j0g1: 

 

   

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

6_a0v1j0g1 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.00E‐02 ‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02 2.50E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

6_a0v1j0g1 Rotation Diagram

Page 331: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 318  

Model 7_a0v1j1g0: 

 

   

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.50E+10 ‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10 1.50E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

7_a0v1j1g0 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

7_a0v1j1g0 Rotation Diagram

Page 332: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 319  

Model 8_a0v1j1g1: 

 

   

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐1.50E+10 ‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

8_a0v1j1g1 Moment Diagram

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐6.E‐03 ‐4.E‐03 ‐2.E‐03 0.E+00 2.E‐03 4.E‐03 6.E‐03 8.E‐03 1.E‐02 1.E‐02 1.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

8_a0v1j1g1 Rotation Diagram

Page 333: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 320  

Model 9_a1v0j0g0: 

 

   

‐284

1716

3716

5716

7716

9716

11716

13716

‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

9_a1v0j0g1 Moment Diagram

‐284

1716

3716

5716

7716

9716

11716

13716

‐4.E‐03 ‐2.E‐03 0.E+00 2.E‐03 4.E‐03 6.E‐03 8.E‐03 1.E‐02 1.E‐02 1.E‐02 2.E‐02 2.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

9_a1v0j0g0 Rotation Diagram

Page 334: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 321  

 

   

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐4.00E+09 ‐2.00E+09 0.00E+00 2.00E+09 4.00E+09 6.00E+09 8.00E+09

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

10_a1v0j0g1 Moment Diagram

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02 2.50E‐02 3.00E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

10_a1v0j0g1 Rotation Diagram

Page 335: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 322  

Model 11_a1v0j1g0: 

 

   

‐284

1716

3716

5716

7716

9716

11716

13716

‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10 1.50E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

11_a1v0j1g0 Moment Diagram

‐284

1716

3716

5716

7716

9716

11716

13716

‐4.E‐03 ‐2.E‐03 0.E+00 2.E‐03 4.E‐03 6.E‐03 8.E‐03 1.E‐02 1.E‐02 1.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

11_a1v0j1g0 Rotation Diagram

Page 336: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 323  

Model 12_a1v0j1g1: 

 

   

‐284

1716

3716

5716

7716

9716

11716

13716

‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

12_a1v0j1g1 Moment Diagram

‐284

1716

3716

5716

7716

9716

11716

13716

‐4.E‐03 ‐2.E‐03 0.E+00 2.E‐03 4.E‐03 6.E‐03 8.E‐03 1.E‐02 1.E‐02 1.E‐02 2.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

12_a1v0j1g1 Rotation Diagram

Page 337: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 324  

Model 13_a1v1j0g0: 

 

   

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

13_a1v1j0g0 Moment Diagram

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐5.00E‐03 0.00E+00 5.00E‐03 1.00E‐02 1.50E‐02 2.00E‐02 2.50E‐02 3.00E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

13_a1v1j0g0 Rotation Diagram

Page 338: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 325  

Model 14_a1v1j0g1: 

 

   

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐4.00E+09 ‐2.00E+09 0.00E+00 2.00E+09 4.00E+09 6.00E+09 8.00E+09

Column Height (mm)

Moment (n­mm)

14_a1v1j0g1 Moment Diagram

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐6.00E‐03 ‐5.00E‐03 ‐4.00E‐03 ‐3.00E‐03 ‐2.00E‐03 ‐1.00E‐03 0.00E+00 1.00E‐03 2.00E‐03 3.00E‐03

Column Height (mm)

Rotation (rads)

14_a1v1j0g1 Rotation Diagram

Page 339: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 326  

Model 15_a1v1j1g0: 

 

   

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10 1.50E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

15_a1v1j1g0 Moment Digaram

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐2.E‐03 0.E+00 2.E‐03 4.E‐03 6.E‐03 8.E‐03 1.E‐02 1.E‐02 1.E‐02 2.E‐02 2.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

15_a1v1j1g0 Rotation Diagram

Page 340: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 327  

Model 16_a1v1j1g1: 

 

   

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.00E+10 ‐5.00E+09 0.00E+00 5.00E+09 1.00E+10

Column Height (mm)

Moment (N­mm)

16_a1v1j1g1 Moment Diagram

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

‐1.E‐02 ‐5.E‐03 0.E+00 5.E‐03 1.E‐02 2.E‐02 2.E‐02 3.E‐02 3.E‐02 4.E‐02 4.E‐02

Column Height (mm)

Rotation (rads)

16_a1v1j1g1 Rotation Diagram

Page 341: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 328  

Appendix D Moment‐Rotation Capacity Curves 

This appendix contains the moment‐rotation capacity curves for all parametric 

columns that were used to determine normalized moment‐rotation denominator values. 

 

‐2.0E+10

‐1.5E+10

‐1.0E+10

‐5.0E+09

0.0E+00

5.0E+09

1.0E+10

1.5E+10

2.0E+10

‐1.5E‐02 ‐1.0E‐02 ‐5.0E‐03 0.0E+00 5.0E‐03 1.0E‐02 1.5E‐02

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

1_a0v0j0g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mom‐Rot Capacity Curve

Page 342: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 329  

 

‐3.0E+09

‐2.0E+09

‐1.0E+09

0.0E+00

1.0E+09

2.0E+09

3.0E+09

‐4.0E‐02 ‐2.0E‐02 0.0E+00 2.0E‐02 4.0E‐02

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

2_a0v0j0g1 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 343: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 330  

‐4.0E+10

‐3.0E+10

‐2.0E+10

‐1.0E+10

0.0E+00

1.0E+10

2.0E+10

3.0E+10

4.0E+10

‐8.0E‐02 ‐6.0E‐02 ‐4.0E‐02 ‐2.0E‐02 0.0E+00 2.0E‐02 4.0E‐02 6.0E‐02 8.0E‐02

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

3_a0v0j1g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

0.00E+00

5.00E+08

1.00E+09

1.50E+09

2.00E+09

2.50E+09

3.00E+09

3.50E+09

4.00E+09

2.54E‐03 7.54E‐03 1.25E‐02 1.75E‐02 2.25E‐02 2.75E‐02 3.25E‐02 3.75E‐02

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

4_a0v0j1g1 Static Moment­Rotation Capacity Curve

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 344: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 331  

‐2.5E+10

‐2E+10

‐1.5E+10

‐1E+10

‐5E+09

0

5E+09

1E+10

1.5E+10

2E+10

2.5E+10

‐0.06 ‐0.04 ‐0.02 0 0.02 0.04 0.06

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

5_a0v1j0g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

‐4E+09

‐3E+09

‐2E+09

‐1E+09

0

1E+09

2E+09

3E+09

4E+09

‐0.15 ‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1 0.15

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

6_a0v1j0g1 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 345: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 332  

‐4.00E+10

‐3.00E+10

‐2.00E+10

‐1.00E+10

0.00E+00

1.00E+10

2.00E+10

3.00E+10

4.00E+10

‐1.00E‐01 ‐5.00E‐02 0.00E+00 5.00E‐02 1.00E‐01

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

7_a0v1j1g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

0.00E+00

5.00E+08

1.00E+09

1.50E+09

2.00E+09

2.50E+09

3.00E+09

3.50E+09

4.00E+09

3.53E‐03 8.53E‐03 1.35E‐02 1.85E‐02 2.35E‐02 2.85E‐02

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

8_a0v1j1g1 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 346: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 333  

‐2.5E+10

‐2E+10

‐1.5E+10

‐1E+10

‐5E+09

0

5E+09

1E+10

1.5E+10

2E+10

2.5E+10

‐0.2 ‐0.15 ‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

9_a10j0g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

‐1.5E+10

‐1E+10

‐5E+09

0

5E+09

1E+10

1.5E+10

‐0.08 ‐0.06 ‐0.04 ‐0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

10_a1v0j0g1 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 347: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 334  

‐5E+10

‐4E+10

‐3E+10

‐2E+10

‐1E+10

0

1E+10

2E+10

3E+10

4E+10

5E+10

‐0.15 ‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1 0.15

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

11_a1v0j1g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

‐1.5E+10

‐1E+10

‐5E+09

0

5E+09

1E+10

1.5E+10

‐0.008 ‐0.006 ‐0.004 ‐0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

12_a1v0j1g1 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 348: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 335  

‐2.5E+10

‐2.0E+10

‐1.5E+10

‐1.0E+10

‐5.0E+09

0.0E+00

5.0E+09

1.0E+10

1.5E+10

2.0E+10

2.5E+10

‐1.0E‐01 ‐5.0E‐02 0.0E+00 5.0E‐02 1.0E‐01

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

13_a1v1j0g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot …

‐1.5E+10

‐1.0E+10

‐5.0E+09

0.0E+00

5.0E+09

1.0E+10

1.5E+10

‐2.0E‐02 ‐1.5E‐02 ‐1.0E‐02 ‐5.0E‐03 0.0E+00 5.0E‐03 1.0E‐02 1.5E‐02 2.0E‐02

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

14_a1v1j0g1 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 349: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 336  

 

‐5.0E+10

‐4.0E+10

‐3.0E+10

‐2.0E+10

‐1.0E+10

0.0E+00

1.0E+10

2.0E+10

3.0E+10

4.0E+10

5.0E+10

‐1.0E‐01 ‐5.0E‐02 0.0E+00 5.0E‐02 1.0E‐01

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

15_a1v1j1g0 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

‐1E+10

‐8E+09

‐6E+09

‐4E+09

‐2E+09

0

2E+09

4E+09

6E+09

8E+09

1E+10

‐0.01 ‐0.005 0 0.005 0.01

Mom

ent (N­mm)

Rotation (rads)

16_a1v1j1g1 Moment­Rotation Comparison

Static Mot‐Rot Capacity Curve

Page 350: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 337  

Appendix E Transverse Strain Profiles 

This appendix contains the transverse strain profiles along the height of the column 

for each parametric model.  These graphs plot minimum, maximum and average transverse 

strains for both the hoop reinforcement and the steel jacket. 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐0.0015 ‐0.001 ‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003

Height (mm)

Trans Strain

1_a0v0j0g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐0.004 ‐0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Column Height (mm)

Trans Strain

2_a0v0j0g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 351: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 338  

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐0.001 ‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002

Height (mm)

Trans Strain

3_a0v0j1g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

‐0.006 ‐0.004 ‐0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Height (mm)

Trans Strain

4_a0v0j1g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 352: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 339  

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

4500.00

‐0.002 ‐0.0015 ‐0.001 ‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003

Height (mm)

Trans Strain

5_a0v1j0g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

4500.00

‐0.004 ‐0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008

Height (mm)

Trans Strain

6_a0v1j0g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 353: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 340  

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

4500.00

‐0.001 ‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015

Height (mm)

Trans Strain

7_a0v1j1g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

4500.00

‐0.004 ‐0.002 0 0.002 0.004 0.006

Height (mm)

Trans Strain

8_a0v1j1g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 354: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 341  

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐1.50E‐03 ‐1.00E‐03 ‐5.00E‐04 0.00E+00 5.00E‐04 1.00E‐03 1.50E‐03 2.00E‐03 2.50E‐03

Height (mm)

Trans Strain

9_a1v0j0g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Height (mm)

Trans Strain

10_a1v0j0g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 355: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 342  

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐0.001 ‐0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025

Height (mm)

Trans Strain

11_a1v0j1g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐4.00E‐03 ‐2.00E‐03 0.00E+00 2.00E‐03 4.00E‐03 6.00E‐03 8.00E‐03

Height (mm)

Trans Strain

12_a1v0j1g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 356: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 343  

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐2.00E‐03‐1.50E‐03‐1.00E‐03‐5.00E‐040.00E+005.00E‐041.00E‐031.50E‐032.00E‐032.50E‐03

Height (mm)

Trans Strain

13_a1v1j0g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐3.00E‐03‐2.00E‐03‐1.00E‐030.00E+001.00E‐032.00E‐033.00E‐034.00E‐035.00E‐036.00E‐03

Height (mm)

Trans Strain

14_a1v1j0g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

Page 357: COMPUTATIONAL ASSESSMENT OF STEEL JACKETED …

 344  

 

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐8.00E‐04‐6.00E‐04‐4.00E‐04‐2.00E‐040.00E+002.00E‐044.00E‐046.00E‐048.00E‐041.00E‐031.20E‐03

Height (mm)

Trans Strain

15_a1v1j1g0 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min

0.00

2000.00

4000.00

6000.00

8000.00

10000.00

12000.00

‐3.00E‐03 ‐2.00E‐03 ‐1.00E‐03 0.00E+00 1.00E‐03 2.00E‐03 3.00E‐03 4.00E‐03 5.00E‐03

Height (mm)

Trans Strain

16_a1v1j1g1 Transverse Strain Along Column Height

Bar Max

Bar Ave

Bar Min

Jacket Max

Jacket Ave

Jacket Min