Existing reinforced concrete (RC) beams can be strengthened with externally bolted steel plates to the sides of beams. The effectiveness of this type of bolted side-plate (BSP) beam can however be affected by partial interaction between the steel plates and RC beams due to the mechanical slip of bolts. To avoid over-estimation of the flexural strength and ensure accurate prediction of the load-deformation response of the beams, the effect of partial interaction has to be properly considered. In this paper, a special non-linear macro-finite-element model that takes into account the effects of partial interaction is proposed. The RC beam and the steel plates are modelled as two different elements, interacting through discrete groups of bolts. A layered method is adopted for the formulation of the RC beam and steel plate elements, while a special non-linear model based on a kinematic hardening assumption for the bolts is used to simulate the bolt group effect. The computer program SiBAN was developed based on the proposed approach. Comparison with the available experimental results shows that SiBAN can accurately predict the partial interaction behaviour of the BSP beams. Further numerical simulations show that the interaction between the RC beam and the steel plates is greatly reduced by the formation of plastic hinges and should be considered in analyses of the strengthened beams.
Lima, Carmine;Martinelli, Enzo;Macorini, Lorenzo;Izzuddin, Bassam A.
Earthquakes and Structures
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v.12
no.1
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pp.119-133
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2017
Several theoretical and analytical formulations for the prediction of shear strength in reinforced concrete (RC) beam-to-column joints have been recently developed. Some of these predictive models are included in the most recent seismic codes and currently used in practical design. On the other hand, the influence of the stiffness and strength degradations in RC joints on the seismic performance of RC framed buildings has been only marginally studied, and it is generally neglected in practice-oriented seismic analysis. To investigate such influence, this paper proposes a numerical description for representing the cyclic response of RC exterior joints. This is then used in nonlinear numerical simulations of RC frames subjected to earthquake loading. According to the proposed strategy, RC joints are modelled using nonlinear rotational spring elements with strength and stiffness degradations and limited ductility under cyclic loading. The proposed joint model has been firstly calibrated against the results from experimental tests on 12 RC exterior joints. Subsequently, nonlinear static and dynamic analyses have been carried out on two-, three- and four-storey RC frames, which represent realistic existing structures designed according to old standards. The numerical results confirm that the global seismic response of the analysed RC frames is strongly affected by the hysteretic damage in the beam-to-column joints, which determines the failure mode of the frames. This highlights that neglecting the effects of joints damage may potentially lead to non-conservative seismic assessment of existing RC framed structures.
Parol, Jafarali;Ben-Nakhi, Ammar;Al-Sanad, Shaikha;Al-Qazweeni, Jamal;Al-Duaij, Hamad J.;Kamal, Hasan
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.3
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pp.383-393
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2019
Horizontal openings in reinforced concrete (RC) beams are quite often used to accommodate service pipelines. Several research papers are available in the literature describing their effect. RC beams with vertical openings are commonly used to accommodate service lines in residential buildings in Kuwait. However, there are lack of design guidelines and best practices reported in the literature for RC beams with vertical openings, whereas the detailed guidelines are available for beams with horizontal openings. In the present paper, laboratory experiments are conducted on nine RC beams with and without vertical openings. Parametric study has been carried out using nonlinear finite element analysis (FEA) with changes in the diameter of the opening, various positions of the opening along the length and width of the beam, edge distance, etc. 50 finite element simulations were conducted. The FEA results are verified using the results from the laboratory experiments. The study showed that the load carrying capacity of the beam is reduced by 20% for the RC beam with vertical openings placed near the center of the beam compared to a solid beam without an opening. Significant reduction in load carrying capacity is observed for beams with an opening near the support (${\approx}15%$). The overall stiffness of the beam, crack pattern and failure modes were not affected due to the presence of the vertical opening. Furthermore, an artificial neural network (ANN) analysis is carried out using the FEA generated data. The results and observations from the ANN and FEA are in good agreement with experimental results.
To investigate the flexural behavior of real size RC beams strengthened with glass fiber sheets, 9 strengthened beams of real size are experimented and the results are compared with those of existing experimental studies. Experiments are considered glass fiber sheets, the number of fiber sheets, and the existence of U-wrap. By the results of experiments, the failure behavior and crack types of real size RC beams are almost equal to those of the small size RC beams, and the debonding and not the concrete cover delamination are occurred. It can be found from the load-deflection curves that as the number of fiber sheets is increased, the ductility of real size RC beam is more decreased than that of the small size RC beam. For the strengthening method with glass fiber sheets of the real size RC beams, it can be confirmed that the finding a solution to the bonding problem is required
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2001.11a
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pp.477-482
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2001
This paper is to study the effect of longitudinal reinforcement ratios and axial deformation on the frame analysis in reinforced concrete(RC) columns and to investigate the effect of confined concrete core, the length-width ratio and longitudinal steel ratios on frame analysis in Concrete-Filled steel Tubular(CFT) columns. An equation if derived to evaluate the modulus of elasticity for core concrete. The 34 reference data have been collected for the purpose and are processed by the mean of a multiple regression analysis technique. The equation and longitudinal reinforcement ratios was applied to RC columns for structural analysis. Then, the difference of beam moment was identified. In general, the results of analysis was indicated reasonable differences in beam moment, in case of longitudinal reinforcement ratios applied to RC columns when compared with the plain concrete columns. In CFT columns the equation was also applied in order to the effect of confined concrete core on structural analysis. Beam moment was increased as volumetric ratio of lateral steel was decreased. The effect of longitudinal steel ratios was investigated in CFT columns and was confirmed beam moment variety. The result was appeared reasonable difference in beam moment as longitudinal steel was increased.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.6
no.1
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pp.213-221
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2002
This paper presents the experimental result of Reinforced Concrete column-steel beam joint connected by Band Plates(BP). Main parameters in the test are the shape of BP and thickness of plate. Ten interior and exterior RC column-steel beam joint specimens are designed. Cyclic loads are applied to the beam end of eight specimens (four interior specimens and four exterior specimens). To evaluate the cyclic effect, monotonic loads are acted for two specimens. All specimen showed similar failure pattern such as the plate of BP get torn after the large deformation. Even though the specimen with double cross type BP has lower strength than the specimen with single cross type BP, the energy dissipation capacity of the specimen turned out high. Thus, provided the strength of joint with double cross type to be designed to have suitable strength by increasing the thickness of plate, the joint system may show higher seismic capacity.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.11
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pp.19-26
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2018
This paper presents the shear strengthening effect of externally post-tensioning (EPT) method using high-strength steel rod in pre-cracked reinforced concrete (RC) beams. Three- and four-point bending tests were performed on a total of 8 specimens by adjusting the strengthening depths in the deviator position of EPT. The effective strengthening depths were 435, 535, and 610 mm. The pre-loading up to about 2/3 of ultimate load capacity measured in unstrengthened RC beam were applied in the beam to be post-tensioned. The EPT method was then applied to the pre-damaged RC beams and re-loading was added until the end of the test. EPT restored deflections of 3 mm or more, which account for about 40% of deflection when the pre-loading was applied. The shear strengthening increases more than 3 times and 36~107% in terms of the stiffness and load-carrying capacity compared to unstrengthening RC beams. The increased load-carrying capacities of the post-tensioned beam with strengthening depths of 435 and 535 mm are almost the same as 36~61%, and those of 610 mm are 84~107%, which shows the greatest shear strengthening effect.
A four-point bending RC beam strengthened with FRP plate is investigated based on the theory of elasticity. Taking the adhesive layer into account but ignoring some secondary parameters, the analytical solutions of the normal stress and shear stress on concrete-adhesive interface are obtained and discussed. Besides, the pure bending region of the beam is analyzed and the ultimate load of the beam is predicted. The results obtained in the present paper agree very well with both the results of FEM and the experimental findings.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.110-116
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1998
The three-dimensional nonlinear analysis on the partial tension experiment of Beam-Column connections in hybrid connections with RC columns and S beams is simulated. In this paper, mechanical characteristics between steel plates and concrete is investigated. Also the stress transfer mechanism prior to beam-column connection analysis was considered by using joint element.
Traditionally used analytical approach to predict the fatigue failure of reinforced concrete (RC) structure is generally conservative and has certain limitations. The nonlinear finite element method (FEM) offers less expensive solution for fatigue analysis with sufficient accuracy. However, the conventional implicit dynamic analysis is very expensive for high level computation. Whereas, an explicit dynamic analysis approach offers a computationally operative modelling to predict true responses of a structural element under periodic loading and might be perfectly matched to accomplish long life fatigue computations. Hence, this study simulates the fatigue behaviour of RC beams with finite element (FE) assemblage presenting a simplified explicit dynamic numerical solution to show computer aided fatigue behaviour of RC beam. A commercial FEM package, ABAQUS has been chosen for this complex modelling. The concrete has been modelled as a 8-node solid element providing competent compression hardening and tension stiffening. The steel reinforcements are simulated as two-node truss elements comprising elasto-plastic stress-strain behaviour. All the possible nonlinearities are duly incorporated. Time domain analysis has been adopted through an automatic Newmark-β time incremental technique. The program consists of twelve RC beams to visualize the real behaviour during fatigue process and to obtain the reliability of the study. Both the numerical and experimental results indicate a redistribution of stresses along the time and damage accumulation of beam which severely affect the serviceability and ultimate capacity of RC beam. The output of the FEM analysis demonstrates good match with the experimental consequences which affirm the efficacy of the computer aided model. The controlled fatigue damage evolution at service fatigue load limits makes the FE model an efficient tool in predicting high cycle fatigue behaviour of RC structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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