In this study, a numerical model for the simulation of reinforced concrete columns subject to cyclic loading is presented. The model consists of three separate models representing concrete, reinforcing steel bars and bond-slip between a reinforcing bar and ambient concrete. The concrete model is represented by the plane stress plastic-damage model and quadrilateral finite elements. The nonlinear steel bar model embedded in truss elements is used for longitudinal and transverse reinforcing bars. Bond-slip mechanism between a reinforcing bar and ambient concrete is discretized using connection elements in which the hysteretic bond-slip link model defines the bond stress and slip displacement relation. The three models are connected in finite element mesh to represent a reinforced concrete structure. From the numerical simulation, it is shown that the proposed model effectively and realistically represents the overall cyclic behavior of a reinforced concrete column. The present plastic-damage concrete model is observed to work appropriately with the steel bar and bond-slip link models in representing the complicated localization behavior.
This paper deals with the estimation of the bond stress based on experimental data that were tensed by axial force on both sides. It is certificated that the concrete stress condition clearly affects the bond-slip relationship. The proposed method utilizes the conventional bond-slip theories as well as the characteristics of deformed reinforcement and concrete cross-sectional area. An analytical equation for the estimation of the bond stress is formulated as the function of non-dimensional factors (e.g. bond stress, relative slip, etc.). The validity, accuracy and efficiency of the proposed method are established by comparing the analytical results with the experimental data of Ikki (1996, 1999) and the representative bond stress equations of Shima (1987). The analytical results presented in this paper indicate that the proposed method can be effectively estimated the bond stress-relative slip relationship.
A new reinforcing steel model which is embedded inside a concrete element and also accounts for the effect of bond-slip is developed. Unlike the classical bond-link or bond-zone element using double nodes, the proposed model is considering the bond-slip effect without taking double nodes by incorporation of the equivalent steel stiffness. After calculation of nodal displacements, the deformation of steel at each node can be found through the back-substitution technique from the first to the final steel element using a governing equation constructed based on the equilibrium at each node of steel and the compatibility condition between steel and concrete. This model results in significant savings in the number of nodes needed to account for the effect of bond-slip, in particular, when the model is used for three dimensional finite element problems. Moreover a new nonlinear solution scheme is developed in connection with this model. Finally, correlation studies between analytical and experimental results and several parameter studies are conducted with the objective to establish the validity of the proposed model.
Steel-concrete-steel (SCS) sandwich structures have important advantages over conventional concrete structures, however, bond-slip between the steel plate and concrete may lead to a loss of composite action, resulting in a reduction of stiffness and fatigue life of SCS sandwich structures. Due to the inaccessibility and invisibility of the interface, the interfacial performance monitoring and debonding detection using traditional measurement methods, such as relative displacement between the steel plate and core concrete, have proved challenging. In this work, two methods using piezoelectric transducers are proposed to detect the bond-slip between steel plate and core concrete during the test of the beam. The first one is acoustic emission (AE) method, which can detect the dynamic process of bond-slip. AE signals can be detected when initial micro cracks form and indicate the damage severity, types and locations. The second is electromechanical impedance (EMI) method, which can be used to evaluate the damage due to bond-slip through comparing with the reference data in static state, even if the bond-slip is invisible and suspends. In this work, the experiment is implemented to demonstrate the bond-slip monitoring using above methods. Experimental results and further analysis show the validity and unique advantage of the proposed methods.
Frank, Timothy E.;Lepech, Michael D.;Billington, Sarah L.
Computers and Concrete
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제22권3호
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pp.305-317
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2018
Steel reinforced Engineered Cementitious Composite (ECC) components have been proposed for seismic structural applications, for example in coupling beams, infill panels, joints, columns, and flexural members. The development of strain in the steel reinforcement of cementitious components has been shown to vary based on both the steel reinforcement ratio and the applied deformation history. Strain in the steel reinforcement of reinforced ECC components is an important structural response metric because ultimate failure is often by fracture of the steel reinforcement. A recently proposed bond-slip model has been successfully calibrated to cyclically tested reinforced ECC beams wherein the deformation history contained monotonically increasing cycles. This paper reports simulations of two-dimensional finite element models of reinforced ECC beams to determine the appropriateness and significance of altering a phenomenological bond-slip model based on the applied deformation history. The numerical simulations with various values of post-peak bond-slip softening stiffness are compared to experimental results. Varying the post-peak bond-slip softening stiffness had little effect on the cracking patterns and hysteretic response of the reinforced ECC flexural models tested, which consisted of two different steel reinforcement ratios subjected to two different deformation histories. Varying the post-peak bond-slip softening stiffness did, however, affect the magnitude of strain and the length of reinforcing bar that strain-hardened. Overall, a numerical model with a constant bond-slip model represented well various responses in reinforced ECC beams with multiple steel reinforcement ratios subjected to different deformation histories.
The key issue for the finite element analysis (FEA) of section steel reinforced concrete (SRC) structure is how to consider the bond-slip performance. However, the bond-slip performance is hardly considered in the FEA of SRC structures because it is difficult to achieve in the finite element (FE) model. To this end, the software developed by Python can automatically add spring elements for the FE model in ABAQUS to considering bond-slip performance. The FE models of the push-out test were conducted by the software and calculated by ABAQUS. Comparing the calculated results with the experimental ones showed that: (1) the FE model of SRC structure with the bond-slip performance can be efficiently and accurately conducted by the software. For the specimen with a length of 1140 mm, 3565 spring elements were added to the FE model in just 6.46s. In addition, different bond-slip performance can also be set on the outer side, the inner side of the flange and the web. (2) The results of the FE analysis were verified against the corresponding experimental results in terms of the law of the occurrence and development of concrete cracks, the stress distribution on steel, concrete and steel bar, and the P-S curve of the loading and free end.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제1권1호
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pp.37-43
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2007
This paper discusses the failure mode of reinforced concrete beams strengthened with composite materials based on six experimental set-ups to determine the FRP-to-concrete bond strength. Interfacial bond behavior between concrete and CFRP plates was discussed. Shear test were performed with different concrete compressive strengths (21 MPa and 28 MPa) and different bonding length (100 mm, 150 mm, 200 mm, and 250 mm). Shear test results indicate that the effective bond length (the bond length beyond which the ultimate load does not increase) was estimated as $196{\sim}204\;mm$ through linear regression analysis. Failure mode of specimens occurred due to debonding between concrete and CFRP plates. Maximum bond stress is calculated as about $3.0{\sim}3.3\;MPa$ from the relationships between bond stress and slip. Finally, the interfacial bond-slip model between CFRP plates and concrete, which is governed debonding failure, has been estimated from shear tests. Average bond stress was about $1.86{\sim}2.04\;MPa$, the volume of slip between CFRP plate and concrete was about $1.45{\sim}1.72\;mm$, and the fracture energy was found to be about $1.35{\sim}1.71\;N/mm$.
The bonding efficacy of steel I-section embedded in metakaolin-fly ash-based geopolymer concrete (MK-FA-GC) was investigated in this study. Push-out tests were conducted on nine column specimens to evaluate the influence of compressive strength of concrete, embedded length of steel I-section, thickness of concrete cover, and stirrup ratio on the bond performance. Failure patterns, load-slip relationships, bond strength, and distribution of bond stress among the specimens were analyzed. The characteristic bond strength of geopolymer concrete (GC) increased with higher compressive strength, longer embedded steel section length, thicker concrete cover, and larger stirrup ratio. Empirical formulas for bond strength at the loading end were derived based on experimental data and a bond-slip constructive model for steel-reinforced MK-FA-GC was proposed. The calculated bond-slip curves showed good agreement with experimental results. Furthermore, numerical simulations using ABAQUS software were performed on column specimens by incorporating the suggested bond-slip relationship into connector elements to simulate the interface behavior between MK-FA-GC and the steel section. The simulation results showed a good correlation with the experimental findings.
Recently, the external bonding of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets has come to be regarded as a very effective method for strengthening of reinforced concrete structures. The behavior of CFRP-strengthened RC structure is mainly governed by the interfacial behavior, which represents the stress transfer and relative slip between concrete and the CFRP sheet. In this study, the effects of bonded length, width and concrete strength on the interfacial behavior are verified and a bond-slip model is proposed. The proposed bond-slip model has nonlinear ascending regions and exponential descending regions, facilitated by modifying the conventional bilinear bond-slip model. Finite element analysis results of interface element implemented with bond-slip model have shown good agreement with the experimental results performed in this study. It is found that the failure load and strain distribution predicted by finite element analysis with the proposed bond-slip are in good agreement with results of experiments.
In order to study the interfacial bond-slip behavior of steel reinforced recycled concrete (SRRC) under cyclic loading, thirteen specimens were designed and tested under cyclic loading and one under monotonic loading. The test results indicated that the average bond strength of SRRC decreased with the increasing replacement ratio of recycled concrete, whereas the bond strength increased with an increase in the concrete cover thickness, the volumetric stirrup ratio, and the strength of recycled concrete. The ultimate bond strength of the cyclically-loaded specimen was significantly (41%) lower than that of the companion monotonically-loaded specimen. The cyclic phenomena also showed that SRRC specimens went through the nonslip phase, initial slip phase, failure phase, bond strength degradation phase and residual phase, with all specimens exhibiting basically the same shape of the bond-slip curve. Additionally, the paper presents the equations that were developed to calculate the characteristic bond strength of SRRC, which were verified based on experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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