In this paper, the problem of interfacial stresses in damaged reinforced concrete beams strengthened with bonded prestressed functionally graded material plate and subjected to a uniformly distributed load, arbitrarily positioned single point load, or two symmetric point loads is developed using linear elastic theory. The adopted model takes into account the adherend shear deformations by assuming a linear shear stress through the depth of the damaged RC beam. This solution is intended for application to beams made of all kinds of materials bonded with a thin FGM plate. The results show that there exists a high concentration of both shear and normal stress at the ends of the functionally graded material plate, which might result in premature failure of the strengthening scheme at these locations. Finally, numerical comparisons between the existing solutions and the present new solution enable a clear appreciation of the effects of various parameters of the beams on the distributions of the interfacial stresses.
This paper deals with an enhanced structural capacity of reinforced concrete bridge deck strengthened with carbon fiber rod (CFR) which is subjected to monotonic and cyclic loads. Strengthening variables considered in this test were evenly and unevenly strengthening type. To evaluate strengthening capacity for these two strengthening types, load-carrying capacity and crack and failure pattern from the failure test were analyzed and fatigue response were examined. According to the test results, all the strengthened specimens showed punching shear failure as a result of premature failure of bonding interface between mortar and concrete. In the case of strengthening capacity, it was observed that the strengthened specimens was more effective in strength, stiffness and fatigue endurance limit than the unstrengthened specimen. In addition, the unevenly strengthening method (CR-UE) was more effective than the evenly strengthening method (CR-E).
This study evaluated the effectiveness of V-shaped ties as an alternative to the supplementary crossties specified in ACI 318-14 on the flexural ductility of reinforced concrete columns. From column specimens tested under constant axial loads and reversed cyclic lateral loads, the mode of failure and lateral load-lateral displacement relationship were measured according to the variation of the applied axial load levels. After the columns reached the peak lateral load capacity, the $90^{\circ}$ hooks of the crossties gradually opened, which eventually caused premature buckling of the longitudinal reinforcement and severe crushing of the core concrete, whereas no V-ties were extracted from the core concrete until the column failure. As a result, the cumulative work damage indicators up to 80% of the peak lateral load for V-tie columns under the axial load level of 0.2, 0.4, and 0.55 was as much as 2.4, 2.3, and 5.2 times higher, respectively, than those of the companion crosstie columns. The superiority of the V-ties to the conventional crossties in enhancing the flexural ductility of columns became more prominent as the axial load level increases.
Ma, Hongwei;Wang, Jiwei;Lui, Eric M.;Wan, Zeqing;Wang, Kun
Steel and Composite Structures
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v.31
no.3
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pp.319-327
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2019
This paper describes an experimental study of steel beam-column connections with or without expanded beam flanges with different geometries. The objectives of this study are to elucidate the cyclic behavior of these connections, identify the location of the plastic hinge zone, and provide useful test data for future numerical simulations. Five connection specimens are designed and tested under cyclic load. The test setup consists of a beam and a column connected together by a connection with or without expanded beam flanges. A constant axial force is applied to the column and a time varying point load is applied to the free end of the beam, inducing shear and moment in the connection. Because the only effect to be studied in the present work is the expanded beam flange, the sizes of the beam and column as well as the magnitude of the axial force in the column are kept constant. However, the length, width and shape of the expanded beam flanges are varied. The responses of these connections in terms of their hysteretic behavior, failure modes, stiffness degradation and strain variations are experimentally obtained and discussed. The test results show that while the influence of the expanded beam flanges on hysteretic behavior, stiffness degradation and energy dissipation capacity of the connection is relatively minor, the size of the expanded beam flanges does affect the location of the plastic hinge zone and strain variations in these beam-column joints. Furthermore, in terms of ductility, moment and rotational capacities, all five connections behave well. No weld fracture or premature failure occurs before the formation of a plastic hinge in the beam.
Mohammad Rezaeian Pakizeh;Hossein Parastesh;Iman Hajirasouliha;Farhang Farahbod
Steel and Composite Structures
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v.46
no.4
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pp.497-512
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2023
Using light weight concrete as infill material in conventional cold-formed steel (CFS) shear wall systems can considerably increase their load bearing capacity, ductility, integrity and fire resistance. The compressive strength of the filler concrete is a key factor affecting the structural behaviour of the composite wall systems, and therefore, achieving maximum compressive strength in lightweight concrete while maintaining its lightweight properties is of significant importance. In this study a new type of optimum polystyrene lightweight concrete (OPLC) with high compressive strength is developed for infill material in composite CFS shear wall systems. To study the seismic behaviour of the OPLC-filled CFS shear wall systems, two full scale wall specimens are tested under cyclic loading condition. The effects of OPLC on load-bearing capacity, failure mode, ductility, energy dissipation capacity, and stiffness degradation of the walls are investigated. It is shown that the use of OPLC as infill in CFS shear walls can considerably improve their seismic performance by: (i) preventing the premature buckling of the stud members, and (ii) changing the dominant failure mode from brittle to ductile thanks to the bond-slip behaviour between OPLC and CFS studs. It is also shown that the design equations proposed by EC8 and ACI 318-14 standards overestimate the shear force capacity of OPLC-filled CFS shear wall systems by up to 80%. This shows it is necessary to propose methods with higher efficiency to predict the capacity of these systems for practical applications.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.2
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pp.227-234
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2010
To investigate the flexural behavior of RC beams strengthened with carbon fiber sheets, 1 control beam and 8 strengthened beams(4 NU-beams without U-shaped band and 4 U-beams with U-shaped band) are tested. The variables of experiment are composed of the number of carbon fiber sheets and the existence of U-shaped band, etc. The experimental results showed that the strengthening system with U-shaped band controls the premature debonding and provides a more ductile failure mode than the strengthening system without U-shaped band. It can be found from the load-deflection curves that as the number of fiber sheets is increased, the maximum strength and the flexural rigidity is increased. The experimental results are compared with the analytical results of nonlinear flexural behaviors for strengthened RC beam. The proposed analytical method for strengthened beams is proved to be accurate by an experimental investigation of load-deflection curve, yield load, maximum load, and flexural rigidities in the pre- and post-yielding stages.
Milicevic, Ivan;Milosavljevic, Branko;Pavlovic, Marko;Spremic, Milan
Steel and Composite Structures
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v.36
no.3
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pp.321-337
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2020
Contemporary design and construction of steel-concrete composite structures employs the use of prefabricated concrete elements and demountable shear connectors in order to reduce the construction time and costs and enable dismantling of elements for their potential reuse at the end of life of buildings. Bolted shear connector with mechanical coupler is presented in this paper. The connector is assembled from mechanical coupler and rebar anchor, embedded in concrete, and steel bolt, used for connecting steel to concrete members. The behaviour and ultimate resistance of bolted connector with mechanical coupler in wide and narrow members were analysed based on push-out tests and FE analyses conducted in Abaqus software, with focus on concrete edge breakout and bolt shear failure modes. The effect of concrete strength, concrete edge distance and diameter and strength of bolts on failure modes and shear resistance was analysed. It was demonstrated that premature failure by breakout of concrete edge occurs when connectors are located 100 mm or closer from the edge in low-strength and normal-strength reinforced concrete. Furthermore, the paper presents a relatively simple model for hand calculation of concrete edge breakout resistance when bolted connectors with mechanical coupler are used. The model is based on the modification of prediction model used for cast-in and post-installed anchors loaded parallel to the edge, by implementing equivalent influence length of connector with variable diameter. Good agreement with test and FE results was obtained, thus confirming the validity of the proposed method.
An experimental study was performed to investigate the axial-flexural load-carrying capacity of concrete-encased and-filled steel tube (CEFT) columns. To restrain local buckling of longitudinal bars and to prevent premature failure of the thin concrete encasement, the use of U-cross ties was proposed. Five eccentrically loaded columns were tested by monotonic compression. The test parameters were axial-load eccentricity, spacing of ties, and the use of concrete encasement. Although early cracking occurred in the thin concrete encasement, the maximum axial loads of the CEFT specimens generally agreed with the strengths predicted considering the full contribution of the concrete encasement. Further, due to the effect of the circular steel tube, the CEFT columns exhibited significant ductility. The applicability of current design codes to the CEFT columns was evaluated in terms of axial-flexural strength and flexural stiffness.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.9
no.3
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pp.9-17
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2000
The use of ceramic inserts in steel forging tools offers significant technical and economic advantages over other materi-als of manufacture. These potential benefits can however only be realised by optimal design of the tools so that the ceramic insert are not subjected to stresses that led to their premature failure. In this paper the data on loading of the tools is determined from a commercial forging simulation package as the contact stress distribution on the die-workpiece interface and as temperature distributions in the die. This data can be processed as load input data for a finite-element die-stress analysis. Process simulation and stress analysis are thus combined during the design and a data exchange program has been developed that enables optimal design of the dies taking into account the elastic detections generated in shrink fitting the die inserts and that caused by the stresses generated in the forging process. The stress analysis of the dies is used to determine the stress conditions on the ceramic insert by considering contact and interference effects under both mechanical and thermal loads. Simulation results have been validated as a result of experimental investigation. Laboratory tests on ceramic insert dies have verified the superior performance of the Zirconia and Silicon Nitride ceramic insert in order to prolong maintenance life.
Seo, Do-Won;Kim, Hak-Kun;Song, Jun-Hee;Lim, Jae-Kyoo;Park, Chan-Gyung
Proceedings of the KSME Conference
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2000.04a
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pp.121-126
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2000
Metal/Ceramic structures have many attractive properties, with great potential for applications that demand high stiffness, as well as chemical and biological stability, thermal and electrical insulation. They are currently in use for mechanical and thermal protection in cutting tool and engine parts. With all their great advantage, ceramics suffer from one major problem they are brittle, and are especially susceptible to cracking from surface contacts. Delamination at the interfaces with adjacent layers is a particularly disturbing problem, and can cause premature failure of a composite system. so determination of adhesive properties of coating is one of the most important problems for the extension of the use of coated materials. In this work, mechanical characteristics of Interface of ceramic/Metal composites are evaluated by means of hardness test, indentation test apparent interfacial toughness and bonding strength test. The interface indentation test provides a relation between the applied load(P) and the length of the crack(a) created at the interface between the coating and the substrate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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