This paper presents a careful theoretical investigation into interfacial stresses in composite aluminum-slab reinforced concrete beam bonded by a prestressed hybrid carbon-glass composite material. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened beam, i.e., the aluminum beam, the slab reinforced concrete, the hybrid carbon-glass composite plate and the adhesive layer. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. Numerical results from the present analysis are presented both to demonstrate the advantages of the present solution over existing ones and to illustrate the main characteristics of interfacial stress distributions. It is shown that the stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam. This research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of the hybrid structures.
Xiang, Ziru;Chan, Tommy H.T.;Thambiratnam, David P.;Nguyen, Andy
Computers and Concrete
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제20권5호
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pp.617-625
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2017
Prestress force identification (PFI) is crucial to maintain the safety of prestressed concrete bridges. A synergic identification method has been proposed recently by the authors that can determine the prestress force (PF) and the excitation force simultaneously in prestressed concrete beams with good accuracy. In this paper, the ability of this method in the application with prestressed concrete box-girder bridges is demonstrated. A reasonable assumption is made to capture the similarity of the dynamic behavior of the prestressed concrete box-girder bridge and a beam under a certain loading scenario, and the feasibility of this method for application in a prestressed box-girder bridge is affirmed. A comprehensive laboratory test program is conducted, and the effects of PF, excitation, measuring time and uncertainties are studied. Results show that the proposed method can predict the PF and the excitation force in a prestressed concrete box-girder accurately and has a great robustness against uncertainties.
The wood-concrete composite is an interesting solution in the field of Civil Engineering to create high performance bending elements for bridges, as well as in the building construction for the design of wood concrete floor systems. The authors of this paper has been working for the past few years on the development of the bonding process as applied to wood-concrete composite structures. Contrary to conventional joining connectors, this assembling technique does ensure an almost perfect connection between wood and concrete. This paper presents a careful theoretical investigation into interfacial stresses at the level of the two interfaces in composite wooden beam- reinforced concrete slab strengthened by external bonding of prestressed composite plate under a uniformly distributed load. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in all parts of the strengthened composite beam, i.e., the wooden beam, RC slab, the CFRP plate and the adhesive layer. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. This research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of the CFRP- wooden-concrete hybrid structures.
This paper proposes a method to predict the deflection of prestressed concrete (PC) beams with corrugated steel web (CSW) under constant load concerning time-dependent variation in concrete material. Over time, the top and bottom concrete slabs subjected to asymmetric compression experience shrinkage and creep deformations. Here, the classical Euler-Bernoulli beam theory assumption that the plane sections remain plane is not valid due to shear deformation of CSW. Therefore, this study presents a method based on the first-order shear deformation to find the long-term deflection of the composite beams under bending by considering time effects. Two experimental prestressed beams of this type were monitored under their self-weight over time, and the theoretical results were compared with those data. Additionally, 3D analytical models of the experimental beams were used according to material properties, and the results were compared with two previous cases. There was good consistency between the analytical and numerical results with low error, which increased by wave radius. It is concluded that the proposed method could reliably be used for design purposes.
프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 보의 크기와 자중은 그 운송과 조립에 드는 비용을 결정한다. 본 연구에서는 단면 최적화에 의하여 휨 응력의 구속을 받는 단면의 크기와 초기 긴장력의 크기 등을 결정하여 부재의 자중을 최소화하여 운송 및 시공의 편리성을 극대화하려한다. 프리캐스트 부재는 각 시공단계별 강도, 처짐, 그리고 부재 상, 하단에서 응력검토가 필요하다. 각 단계별 응력 제한치를 만족하는 최소자중 프리캐스트 U형보를 최적설계에 의하여 제안하였다. 최적설계에 의해 제안된 U형보는 기존의 직사각형 단면보다 39~50%까지의 자중감축이 가능할 것으로 예상된다. 본 연구에서 두 개의 대표적인 실물크기 U형보를 실험하였다. 이 실험에서 U형보는 설계하중과 공칭강도를 상회하는 휨강도에서 종국 파괴되었다.
In recent years, the construction methods of precast prestressed concrete beam bridges by using tendon have been increasingly proposed. The properties of flexural tensile strength between precast prestressed concrete beam and cast-in-place concrete is an important factor that affects the structural performance. This paper aims at evaluating the tensile strength between old and new concrete. Tensile strength gain, with age after placing new concrete was evaluated. Test results show that the tensile strength between old and new concrete is much smaller than that of monolithic concrete. Also, it is shown that the curing condition of concrete has the tremendous effect on tensile strength.
Steel plate shear wall (SPSW) system has been increasingly used for lateral loads resisting system since 1980s when the utilization of post-buckling strength of SPSW was realized. The structural response of SPSWs largely depends on the behavior of the surrounded beams. The beams are normally required to behave in the elastic region when the SPSW fully buckled and formed the tension field action. However, most modern design codes do not specify how this requirement can be achieved. This paper presents theoretical investigation and design procedures of manually calculating the plastic flexural capacity of the beams of SPSWs and can be considered as an extension to the previous work by Qu and Bruneau (2011). The reduction in the plastic flexural capacity of beam was considered to account for the presence of shear stress that was altered towards flanges at the boundary region, which can be explained by Saint-Venant's principle. The reduction in beam web was introduced and modified based on the research by Qu and Bruneau (2011), while the shear stress in the web in this research is excluded due to the boundary effect. The plastic flexural capacity of the beams is given by the superposition of the contributions from the flanges and the web. The developed equations are capable of predicting the plastic moment of the beams subjected to combined shear force, axial force, bending moment, and tension fields induced by yielded infill panels. Good agreement was found between the theoretical results and the data from previous research for flexural capacity of beams.
An improved finite element modeling technique is proposed for the assessment of load carrying capacity of partially prestressed concrete girder bridges. Based on the finite element method of analysis, shell and frame elements are used to model the slab and girders of the superstructure, respectively. In the modeling of superstructure, the emphasis is placed on the use of rigid link between the middle surface of slab an mid-plane of girder. This paper also includes the comparision of three different equations that are used in the calculation of effective moment of inertia for the partially prestressed concrete girders. Numerical analysis is performed for the unstrengthened and strengthened bridges. The obtained results are compared with those of load test for a prototype bridge. A good agreement is achieved between the numerical solutions by using the proposed method load test results.
The vibration response of the bridges under the moving vehicular load is of importance for engineers to estimate the serviceability of existing bridges and to design new bridges. This paper deals with the three dimensional vibration analysis of prestressed concrete bridges under moving vehicles. The prestressed bridges are modeled by four-node isoparametric flat shell elements with the transverse shearing deformation taken into account. The usual five degrees-of-freedom (DOFs) per node of the element are appended with a drilling DOF to accommodate the transformation of the local stiffness and mass matrices to the global coordinates. The vehicle is modeled as a single or two-DOF system. A single-span prestressed Tee beam and two-span prestressed box-girder bridge are studied as the two numerical examples. The effects of prestress forces on the natural frequencies and dynamic responses of the bridges are investigated.
A novel post-tensioned self-centering (SC) concrete beam-column connection with web friction devices has been proposed for concrete moment-resisting frames. This paper presents a probabilistic performance evaluation procedure to evaluate the performance of the self-centering concrete frame with the proposed post-tensioned beam-column connections. Two performance limit states, i.e., immediate occupancy (IO) and repairable (RE) limit states, are defined based on peak and residual story drift ratios. Statistical analyses of seismic demands revealed that the dispersion of residual drifts is larger than that of peak drifts. Due to self-centering feature of post-tensioning connections, the SC frame was found to have high probabilities to be recentered under the design basis earthquake (DBE) and maximum considered earthquake (MCE) ground motions. Seismic risk analysis was performed to determine the annual (50-year) probability of exceedance for IO and RE performance limit states, and the results revealed that the design objectives of the SC frame would be met under the proposed performance-based design approach.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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