Flexural capacity prediction is a challenging problem for externally prestressed concrete beams (EPCBs) due to the unbonded phenomenon between the concrete beam and external tendons. Many prediction equations have been provided in previous research but typically ignored the differences in deformation mode between internal and external unbonded tendons. The availability of these equations for EPCBs is controversial due to the inconsistent deformation modes and ignored second-order effects. In this study, the deformation characteristics and collapse mechanism of EPCB are carefully considered, and the ultimate deflected shape curves are derived based on the simplified curvature distribution. With the compatible relation between external tendons and the concrete beam, the equations of tendon elongation and eccentricity loss at ultimate states are derived, and the geometric interpretation is clearly presented. Combined with the sectional equilibrium equations, a rational and simplified flexural capacity prediction method for EPCBs is proposed. The key parameter, plastic hinge length, is emphatically discussed and determined by the sensitivity analysis of 324 FE analysis results. With 94 collected laboratory-tested results, the effectiveness of the proposed method is confirmed, and comparisons with the previous formulas are made. The results show the better prediction accuracy of the proposed method for both stress increments and flexural capacity of EPCBs and the main reasons are discussed.
Park Sun-Kyu;Kim Kwang-Soo;Kim Jin-Ho;Choi Jung-Ho
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.16
no.5
s.83
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pp.709-717
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2004
The existing AASHTO Standard Specification have some inadequacies in expressing wheel load distribution of bridge which has specific shape of curved bridge instead of straight bridge. Thus, this research presented the finite element analysis and modelling technique of prestressed concrete girder bridge having curved slab and the expression of wheel load distribution was suggested as the ratio of bending moment utilizing the result of finite element analysis of prestressed concrete girder bridge having cowed slab. The considered parameter of girder distribution expression is the curvature of slab, span length, girder space, cross beam space and number of lanes. Though the suggested girder distribution expression is generally underestimated below AASHTO Standard Specification, once the curvature of slab increases, the suggested expression gets larger than AASHTO LRFD Standard Specification.
In this research, the self-centering effect in precast and prestressed reinforced concrete structures was investigated experimentally. The reinforced concrete beams and columns were precast and connected by post-tensioning tendons passing through the center of the beams as well as the panel zone of the connections. Three beam-to-interior-column connections were constructed to investigate parameters such as beam to column interfaces (steel on steel or plastic on plastic), energy dissipating devices (unbonded buckling restrained steel bars or steel angles) and the spacing of hoops in the panel zone. In addition to the self-centering effect, the shear strength in the panel zone of interior column connections was experimentally and theoretically evaluated, since the panel zone designed by current code provisions may not be conservative enough to resist the panel shear increased by the post-tensioning force.
To perform performance-based seismic design of buildings, it is necessary clear goal for usage and stability after an earthquake. To clear this goal, it requires a review of the constituent material of the building and, in particular, a member used as an indicator of the residual strain is useful. There are more usage of prestressed concrete because of prestressing steel witch has characteristics of the origin-oriented. In this study, the goal is estimating of residual strain on the prestressed concrete beam member. The expression for angle of deformed prestressed concrete beam member was obtained from using of curvature on the critical section and the equivalent plastic hinge length based on 'equivalent plastic hinge length method'. Considering the balance of strength and deformation conditions, suitable analysis values were derived from 'split Element Method'. Through various parametric studies, various factors affecting the residual strain were decided. Based on the results of this study, it is expected many researches will be proceed in the future.
This study reports the details of the finite element analysis of eleven shear critical partially prestressed concrete T-beams having steel fibers over partial or full depth. Prestressed concrete T-beams having a shear span to depth ratio of 2.65 and 1.59 and failing in the shear have been analyzed using 'ANSYS'. The 'ANSYS' model accounts for the nonlinear phenomenon, such as, bond-slip of longitudinal reinforcements, post-cracking tensile stiffness of the concrete, stress transfer across the cracked blocks of the concrete and load sustenance through the bridging of steel fibers at crack interface. The concrete is modeled using 'SOLID65'-eight-node brick element, which is capable of simulating the cracking and crushing behavior of brittle materials. The reinforcements such as deformed bars, prestressing wires and steel fibers have been modeled discretely using 'LINK8' - 3D spar element. The slip between the reinforcement (rebar, fibers) and the concrete has been modeled using a 'COMBIN39'-non-linear spring element connecting the nodes of the 'LINK8' element representing the reinforcement and nodes of the 'SOLID65' elements representing the concrete. The 'ANSYS' model correctly predicted the diagonal tension failure and shear compression failure of prestressed concrete beams observed in the experiment. The capability of the model to capture the critical crack regions, loads and deflections for various types of shear failures in prestressed concrete beam has been illustrated.
Recently, researches about fiber reinforced polymer (FRP) which has excellent durability, corrosion resistance, and tensile strength as a substitution material to steel tendon have been actively pursued. This study is performed to examine FRP tendon used prestressed beam's safety under service load. The specimen was a prestressed concrete beam with internal bonded FRP tendon. In order to compare the member fatigue capacity, a control specimen of a prestressed concrete beam with ordinary steel tendon was tested. A fatigue load was applied at a load range of 60%, 70%, and 80% of the 40% ultimate load, which was obtained though a static test. The fatigue load was applied as a 1~3 Hz sine wave with 4 point loading setup. Fatigue load with maximum 1 million cycles was applied. The specimen applied with a load ranging between 40~60% did not show a fatigue failure until 1 million cycles. However, it was found that horizontal cracks in the direction of tendons were found and bond force between the tendon and concrete was degraded as the load cycles increased. This fatigue study showed that the prestressed concrete beam using FRP tendon was safe under a fatigue load within a service load range. Fatigue strength of the specimen with FRP and steel tendon after 1 million cycles was 69.2% and 59.8% of the prestressed concrete beam's static strength, respectively.
Chen, Xia-chun;Bai, Zhi-zhou;Zeng, Yu;Jiang, Rui-juan;Au, Francis T.K.
Steel and Composite Structures
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v.21
no.5
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pp.1045-1067
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2016
Concrete bridges with corrugated steel webs and prestressed by both internal and external tendons have emerged as one of the promising bridge forms. In view of the different behaviour of components and the large shear deformation of webs with negligible flexural stiffness, the assumption that plane sections remain plane may no longer be valid, and therefore the classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam models may not be applicable. In the design of this type of bridges, both the ultimate load and ductility should be examined, which requires the estimation of full-range behaviour. An analytical sandwich beam model and its corresponding beam finite element model for geometric and material nonlinear analysis are developed for this type of bridges considering the diaphragm effects. Different rotations are assigned to the flanges and corrugated steel webs to describe the displacements. The model accounts for the interaction between the axial and flexural deformations of the beam, and uses the actual stress-strain curves of materials considering their stress path-dependence. With a nonlinear kinematical theory, complete description of the nonlinear interaction between the external tendons and the beam is obtained. The numerical model proposed is verified by experiments.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.04a
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pp.1045-1048
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2008
Fiber reinforced polymer (FRP) usually exhibits inherent brittleness under tensile stress. Application of FRP tendons to concrete beam leads to undesirable flexural behavior due to limited ductility compared to prestressed concrete beam with steel tendons. It has been experimentally observed that partial improvement of flexural behavior can be achieved by releasing FRP tendons' strain by unbonding FRP tendons. In order to estimate and apply the degree of improvement to the design, reasonable yet practical model predicting flexural strength as well as overall flexural behavior of unbonded FRP prestressed concrete beam is needed. In this study, an elaborated model in describing curvature distributions and flexural strength at ultimate stage of unbonded FRP tendons is described. There have been close agreements on the flexural strength of the FRP prestressed concrete beam between the predictions by nonlinear computer program and by the model.
This paper examines the fire performance of uninsulated and uncoated restrained steel-concrete composite beams supplemented with externally prestressed strands through advanced numerical simulation. In this work, a sequentially coupled thermo-mechanical analysis is carried out using ABAQUS. This analysis utilizes a highly nonlinear three-dimensional finite element (FE) model that is specifically developed and validated using full-sized specimens tested in a companion fire testing program. The developed FE model accounts for nonlinearities arising from geometric features and material properties, as well as complexities resulting from prestressing systems, fire conditions, and mechanical loadings. Four factors are of interest to this work including effect of restraints (axial vs. rotational), degree of stiffness of restraints, the configuration of external prestressed tendons, and magnitude of applied loading. The outcome of this analysis demonstrates how the prestressing force in the external tendons is primarily governed by the magnitude of applied loading and experienced temperature level. Interestingly, these results also show that the stiffness of axial restraints has a minor influence on the failure of restrained and prestressed steel-concrete composite beams. When the axial restraint ratio does not exceed 0.5, the critical deflection of the composite beam is lower than that of the composite beam with a restraint ratio of 1.0.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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