A numerical model that can simulate the nonlinear behavior of ultra high strength fiber-reinforced concrete (UHSFRC) structures subject to monotonic loadings is introduced. Since engineering material properties of UHSFRC are remarkably different from those of normal strength concrete and engineered cementitious composite, classification of the mechanical characteristics related to the biaxial behavior of UHSFRC, from the designation of the basic material properties such as the uniaxial stress-strain relationship of UHSFRC to consideration of the bond stress-slip between the reinforcement and surrounding concrete with fiber, is conducted in this paper in order to make possible accurate simulation of the cracking behavior in UHSFRC structures. Based on the concept of the equivalent uniaxial strain, constitutive relationships of UHSFRC are presented in the axes of orthotropy which coincide with the principal axes of the total strain and rotate according to the loading history. This paper introduces a criterion to simulate the tension-stiffening effect on the basis of the force equilibriums, compatibility conditions, and bond stress-slip relationship in an idealized axial member and its efficiency is validated by comparison with available experimental data. Finally, the applicability of the proposed numerical model is established through correlation studies between analytical and experimental results for idealized UHSFRC beams.
This paper presents a new simple two-dimensional frame finite element able to accurately estimate the load-carrying capacity of reinforced concrete beams flexurally strengthened externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) strips and plates. The proposed analysis model considers distributed plasticity with layer-discretization of the cross-sections and the bond-slip behavior of epoxy layer. The proposed model is used to predict the load-carrying capacity and the applied load-midspan deflection response of RC beams subjected to bending loading. Numerical simulations and experimental measurements are compared based on numerous tests available in the literature and published by different authors. The numerically simulated response agree remarkably well with the corresponding experimental results. Thus, the proposed model is suitable for efficient and accurate modeling and analysis of flexural strengthening of RC beams with externally bonded FRP sheets/plates and for practical use in design-oriented parametric studies.
The paper presents quasi-static plane strain FE-simulations of strain localization in reinforced concrete beams without stirrups. The material was modeled with two different isotropic continuum crack models: an elasto-plastic and a damage one. In case of elasto-plasticity, linear Drucker-Prager criterion with a non-associated flow rule was defined in the compressive regime and a Rankine criterion with an associated flow rule was adopted in the tensile regime. In the case of a damage model, the degradation of the material due to micro-cracking was described with a single scalar damage parameter. To ensure the mesh-independence and to capture size effects, both criteria were enhanced in a softening regime by nonlocal terms. Thus, a characteristic length of micro-structure was included. The effect of a characteristic length, reinforcement ratio, bond-slip stiffness, fracture energy and beam size on strain localization was investigated. The numerical results with reinforced concrete beams were quantitatively compared with corresponding laboratory tests by Walraven (1978).
This paper presents the analysis of intermediate crack-induced (IC) debonding failure loads for reinforced concrete (RC) beams strengthened with adhesively-bonded fiber-reinforced polymer (FRP) plates or sheets. The analysis consists of the energy release and simple ACI methods. In the energy release method, a fracture criterion is employed to predict the debonding loads. The interfacial fracture energy that indicates the resistance to debonding is related to the bond-slip relationships obtained from the shear test of FRP-to-concrete bonded joints. The section analysis that considers the effect of concrete's tension stiffening is employed to develop the moment-curvature relationships of the FRP-strengthened sections. In the ACI method, the onset of debonding is assumed when the FRP strain reaches the debonding strain limit. The tension stiffening effect is neglected in developing a moment-curvature relationship. For a comparison purpose, both methods are used to numerically investigate the effects of relevant parameters on the IC debonding failure loads. The results show that the debonding failure load generally increases as the concrete compressive strength, FRP reinforcement ratio, FRP elastic modulus and steel reinforcement ratio increase.
Kalogeropoulos, George I.;Tsonos, Alexander-Dimitrios G.
Earthquakes and Structures
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v.16
no.3
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pp.279-293
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2019
The overall seismic performance of existing pre 1960-70s reinforced concrete (RC) structures is significantly affected by the inadequate length of columns' lap-spliced reinforcement. Due to this crucial structural deficiency, the cyclic response is dominated by premature bond - slip failure, strength and stiffness degradation, poor energy dissipation capacity and low ductility. Recent earthquakes worldwide highlighted the importance of improving the load transfer mechanism between lap-spliced bars, while it was clearly demonstrated that the failure of lap splices may result in a devastating effect on structural integrity. Extensive experimental and analytical research was carried out herein, to evaluate the effectiveness and reliability of strengthening techniques applied to RC columns with lap-spliced reinforcement and also accurately predict the columns' response during an earthquake. Ten large scale cantilever column subassemblages, representative of columns found in existing pre 1970s RC structures, were constructed and strengthened by steel or RC jacketing. The enhanced specimens were imposed to earthquake-type loading and their lateral response was evaluated with respect to the hysteresis of two original and two control subassemblages. The main variables examined were the lap splice length, the steel jacket width and the amount of additional confinement offered by the jackets. Moreover, an analytical formulation proposed by Tsonos (2007a, 2019) was modified appropriately and applied to the lap splice region, to calculate shear stress developed in the concrete and predict if yielding of reinforcement is achieved. The accuracy of the analytical method was checked against experimental results from both the literature and the experimental work included herein.
The presence of infill generally neglected in design despite the fact that infill contribution significantly increase the lateral stiffness and strength of the reinforced concrete frame structure. Several experimental studies and computational models have been proposed to capture the rational response of infill-frame interaction at global level. However, limited studies are available on explicit finite element modelling to study the local behavior due to high computation and convergence issues in numerical modelling. In the current study, the computational modelling of RC frames is done with various configurations of infill masonry in terms of types of blocks, lateral loading and reinforcement detailing employed with material nonlinearities, interface contact issues and bond-slip phenomenon particularly near the beam-column joints. To this end, extensive computational modelling of five variant characteristics test specimens extracted from the detailed experimental program available in literature and process through nonlinear static analysis in FEM code, ATENA generally used to capture the nonlinear response of reinforced concrete structures. Results are presented in terms of damage patterns and capacity curves by employing the finest possible detail provided in the experimental program. Comparative analysis shows that good correlation amongst the experimental and numerical simulated results both in terms of capacity and crack patterns.
Jahangir, Hashem;Eidgahee, Danial Rezazadeh;Esfahani, Mohammad Reza
Steel and Composite Structures
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v.44
no.6
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pp.803-816
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2022
Composite materials are effective in forming externally bonded reinforcements which find applications related to existing structures repair, attributed to their high strength-to-weight ratio and ease of installation. Among various composites, fibre reinforced polymers (FRP) have somewhat been largely accepted as a commonly utilized composite for such purposes. It is only recently that steel fibres have been considered as additional members of the FRP fibre family, intuitively termed as steel reinforced polymer (SRP). Owing to its low cost and permissibility of fibre bending at sharp corners, SRP is rapidly becoming a viable contender to other FRP systems. This paper investigates the bond behaviour of SRP-concrete joints with different bonded lengths (50, 75, 100, 150 and 300 mm) and widths (15, 30, 40, 50, and 75 mm) using single-lap shear tests. The experimental specimens contain SRP strips with a fixed density of steel fibres (0.472 cords/mm) bonded to the face of concrete prisms. The load responses were obtained and compared in terms of corresponding load and slip boundaries of the constant region and the peak loads. The failure modes of SRP composites are discussed, and the range of effective bonded length is evaluated herein. In the end, a new analytical model was proposed to estimate the SRP-concrete bond strength using a genetic algorithm, which outperforms 22 existing FRP-concrete bond strength models.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.11a
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pp.219-222
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2003
Substantial experimental and theoretical work exists on the bond characteristics of FRP-concrete adhesive joints. Experimental studies show that the bond strength cannot always increase with an increase in the bond length, and that the ultimate strength is strongly influenced by the concrete strength. To solve this feature, analytic solutions based on fracture mechanics are widely used, and the local shear stress-slip curve with a softening branch is known as more rational model. The analytic solution, however, cannot describe various shapes of model curve. In this study, numerical method using interface element is introduced to express various shapes of model curve. Characteristics of adhesive joint is investigated for the shapes of the model curve and their parameters. And the numerical solutions are compared with the test results of CFRP sheet adhesive joints.
One of the reasons for brittle failure in reinforced concrete structures subjected to severe earthquake is due to large slip between reinforcing steel and concrete. This study aims to evaluate effects of deformation patterns of ribbed reinforcing bars on bond under cyclic loading. Bond test specimens were constructed with machined bars to test the newly developed reinforcing bars with high relative rib areas. The degree of confinement is also another key parameter in this bond test. From the test results under monotonic and cyclic loading, bond strength and stiffness were evaluated. Bond strength and bond stiffness increase as relative rib areas under cyclic loading for specimens highly confined by transverse reinforcement. The increase rates of the bond performance under cyclic loading are larger than those of specimens under monotonic loading. The developed bars with high relative rib areas will contribute for better bond performance for reinforced concrete structures subjected to severe seismic loadings.
Kim, Sang-Woo;Kim, Young-Sik;Baek, Seung-Cheol;Kim, Kil-Hee
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.14
no.5
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pp.102-109
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2010
This paper investigates the bond behavior of reinforced concrete beams having high-strength transverse reinforcement. A total of four reinforced concrete beams were tested in this study to estimate the bond capacity of the proposed U-shape reinforcement. The proposed U-shape reinforcement not only has a simple structure to install, but also can increase the bond capacity of reinforced concrete beams by controling bond cracks. This study follow the test method proposed by Ichinose to obtain the bond stress and the bond slip of the specimens. The main test parameters were the yield strength, ratio, and reinforcing types of transverse reinforcements. It was found that the proposed U-shape reinforcement was able to effectively improve the bond performance of reinforced concrete beams with high-strength transverse reinforcement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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