Experimental study has been performed in order to investigate the behavior of RC beams strengthened with externally bonded prestressed CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) strips. A total of 7 specimens have been manufactured of which specimens strengthened with bonded CFRP strips considering the level of prestress as experimental variable, and a specimen with simply bonded CFRP strips. The following phenomena have been observed through the experimental results. The specimen with simply bonded CFRP strips failed below 50$\%$ of its tensile strength due to premature debonding. On the other hand, all the specimens strengthened with prestressed CFRP strips showed sufficient strengthening performance up to the ultimate rupture load of the CFRP strips. Also, it was observed that the cracking loads and yield loads of the strengthened beams were increased proportionally to the prestress level, but the maximum loads were nearly equal regardless of the prestress level.
Two-dimensional tensile stresses are occurring at the back of the anchorage of the tendons of prestressed concrete bridges. A new method named "tensile stress region" for the design of the reinforcement is presented in this paper. The basic idea of this approach is the division of an anchor block into several slices, which are described by the tensile stress region. The orthogonal reinforcing wire mesh can be designed in each slice to resist the tensile stresses. Additionally the sum of the depth of every slice defined by the tensile stress region is used to control the required length of the longitudinal reinforcement bars. An example for the reinforcement design of an anchorage block of an external prestressed concrete bridge is analyzed by means of the new presented method and a finite element model is established to compare the results. Furthermore the influence of the transverse and vertical prestressing on the ordinary reinforcement design is taken into account. The results show that the amount of reinforcement bars at the anchorage block is influenced by the layout of the transverse and the vertical prestressing tendons. Using the "tensile stress region" method, the ordinary reinforcement bars can be designed more precisely compared to the design codes, and arranged according to the stress state in every slice.
In this study, the interfacial stresses in RC beams strengthened by externally bonded prestressed GFRP laminate are evaluated using an analytical approach, based on the equilibrium equations and boundary conditions. A comparison of the interfacial stresses obtained from the present analytical model and other existing models is undertaken. Otherwise, a parametric study is conducted to investigate the effects of geometrical and material properties on the variation of interfacial stresses in damaged RC beams strengthened by externally bonded prestressed GFRP laminate. The results obtained indicate that the damage degree has little effect on the maximum shear stress, with a variation less than 5% between the damaged and undamaged RC beams. However, the results also reveal that the prestressing level has a significant effect on the interfacial stresses; hence the damaged RC beam strengthened with an initial prestressing force of 100 kN gives 110% higher maximum shear stress than the damaged RC beam strengthened with an initial prestressing force of 50 kN. The values of shear stress obtained by the analytical approach are approximately equal to 44% of those obtained from the numerical solution, while the interfacial normal stresses predicted by the numerical study are approximately 26% higher than those calculated by the analytical solution.
This study presents an experiment and analysis to compare the seismic behavior of full-scale reinforced concrete beam-column joint strengthened by prestressed steel strips, externally bonded steel plate, and CFRP sheets. For experimental investigation, five specimens, including one joint without any retrofitting, one joint retrofitted by externally bonded steel plate, one joint retrofitted by CFRP sheets, and two joints retrofitted by prestressed steel strips, were tested under cyclic-reserve loading. The failure mode, strain response, shear deformation, hysteresis behavior, energy dissipation capacity, stiffness degradation and damage indexes of all specimens were analyzed according to experimental study. It was found that prestressed steel strips, steel plate and CFRP sheets improved shear resistance, energy dissipation capacity, stiffness degradation behavior and reduced the shear deformation of the joint core area, as well as changed the failure pattern of the specimen, which led to the failure mode changed from the combination of flexural failure of beams and shear failure of joints core to the flexural failure of beams. In addition, the beam-column joint retrofitted by steel plate exhibited a high bearing capacity, energy consumption capacity and low damage index compared with the joint strengthened by prestressed steel strip, and the prestressed steel strips reinforced joint showed a high strength, energy dissipation capacity and low shear deformation, stirrups strains and damage index compared to the CFRP reinforced joint, which indicated that the frame joints strengthened with steel plate exhibited the most excellent seismic behavior, followed by the prestressed steel strips.
Over the past couple decades, externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) composites have emerged as a repair and strengthening material for many concrete infrastructure applications. This paper presents an analytical investigation of the use of carbon FRP (CFRP) for a specific problem that occurs in concrete bridge girders wherein the girder ends are damaged by excessive exposure to deicing salts and numerous freezing/thawing cycles. A 3D finite element (FE) model of a full scale prestressed concrete (PC) I-girder is used to investigate the effect of damage to the cover concrete and stirrups in the end region of the girder. Parametric studies are performed using externally bonded CFRP shear laminates to determine the most effective repair schemes for the damaged end region under a short shear span-to-depth ratio. Experimental results on shear pull off tests of CFRP laminates that have undergone accelerated aging are used to calibrate a bond stress-slip model for the interface between the FRP and concrete substrate and approximate the reduced bond stress-slip properties associated with exposure to the environment that causes this type of end region damage. The results of these analyses indicate that this particular application of this material can be effective in recovering the original strength of PC bridge girders with damaged end regions, even after environmental aging.
Strengthening of reinforced concrete beams with externally bonded fiber reinforced polymer plates/sheets technique has become widespread in the last two decades. Although a great deal of research has been conducted on simply supported RC beams, a few studies have been carried out on continuous beams strengthened with FRP composites. This paper presents a simple uniaxial nonlinear analytical model that is able to accurately estimate the load carrying capacity and the behaviour of damaged RC continuous beams flexural strengthened with externally bonded prestressed composite plates on both of the upper and lower fibers, taking into account the thermal load. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened beam, i.e., the damaged concrete beam, the FRP plate and the adhesive layer. The flexural analysis results and analytical predictions for the prestressed composite strengthened damaged RC continuous beams were compared and showed very good agreement in terms of the debonding load, yield load, and ultimate load. The use of composite materials increased the ultimate load capacity compared with the non strengthened beams. The major objective of the current model is to help engineers' model FRP strengthened RC continuous beams in a simple manner. Finally, this research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of the FRP-damaged RC hybrid structures.
Lazzari, Paula M.;Filho, Americo Campos;Lazzari, Bruna M.;Pacheco, Alexandre R.
Computers and Concrete
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제20권3호
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pp.319-327
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2017
Studying the structural behavior of prestressed segmented girders is quite important due to the large use this type of solution in viaducts and bridges. Thus, this work presents a nonlinear three-dimensional structural analysis of an externally prestressed segmented concrete girder through the Finite Element Method (FEM), using a customized ANSYS platform, version 14.5. Aiming the minimization of the computational effort by using the lowest number of finite elements, a new viscoelastoplastic material model has been implemented for the structural concrete with the UPF customization tool of ANSYS, adding new subroutines, written in FORTRAN programming language, to the main program. This model takes into consideration the cracking of concrete in its formulation, being based on fib Model Code 2010, which uses Ottosen rupture surface as the rupture criterion. By implementing this new material model, it was possible to use the three-dimensional 20-node quadratic element SOLID186 to model the concrete. Upon validation of the model, an externally prestressed segmented box concrete girder that was originally lab tested by Aparicio et al. (2002) has been computationally simulated. In the discretization of the structure, in addition to element SOLID186 for the concrete, unidimensional element LINK180 has been used to model the prestressing tendons, as well as contact elements CONTA174 and TARGE170 to simulate the dry joints along the segmented girder. Stresses in the concrete and in the prestressing tendons are assessed, as well as joint openings and load versus deflection diagrams. A comparison between numerical and experimental data is also presented, showing a good agreement.
본 논문은 외부 긴장된 긴장재의 손실 긴장력 추정에 대한 새로운 방법을 소개한다. 제안된 방법은 HGA과 FEM이 조합된 시스템 인식 기법으로 외부긴장된 긴장재의 손실된 긴장력이 추정된다. 제안된 기법의 인식변수로는 외부긴장 긴장재의 긴장력, 유효공칭직경, 단위길이당 질량과 레일리 감쇠 계수가 사용되었다. 첫째로 감쇠의 효과가 적용된 유한요소 모델 시스템을 모형화되고, 시스템 인식변수를 반복적으로 추정하는 역해석 기법을 이용하여 인식하게 된다. 마지막으로 3번의 수치실험을 통하여, 제안기법의 수치적 타당성 여부가 확인된다. 이때, 레일리 감쇠 계수를 제외한 인식변수들의 오차는 1%미만으로 인식된다.
The development of external prestressing methods has been one of the major trends in the concrete bridge constructions over the past decades. One of the promising methods to enhance the flexural strength of a externally prestressed girder is to place the tendons with large eccentricities. The test results in this study showed that the external prestressing of a composite girder increased the range of the elastic behavior, reduced deflections, increased ultimate strength, and added to the redundancy by providing the multiple stress paths. This study was conducted on the concrete bridges reinforced by the continuous girders and the external prestressing.
A method to numerically evaluate the behaviour of single span beams, prestressed with external tendons and symmetrically loaded is presented. This algorithm, based on the Finite Difference Method, includes second order effects and large displacements in an attempt to more fully understand the behaviour of the beam up to collapse. The numerical technique discussed is particularly appropriate for the analysis of R.C. and P.C. beams rehabilitated or strengthened by means of external prestressing but it is reliable for the analysis of new beams as well.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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