Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute
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v.3
no.1
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pp.54-64
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2007
This study is a fundamental research in order to establish the design code of recycled aggregate concrete structure. The structural properties of recycled aggregate concrete such as flexure, shear, fatigue, compression, and bond development are experimentally investigated and confirmed. In this study, laboratory-scale reinforced concrete beam, column, and pull-out test specimens using recycled coarse aggregate are manufactured. Then, the structural performances of recycled aggregate concrete according to replacement ratios of recycled coarse aggregate are evaluated. Also, finite element analysis using commercial code DIANA is carried out to predict the test results and the analysis results are compared with test results in this study. Structural test results showed that the structural performances of recycled aggregate concrete specimens with 60% replacement ratio are reduced by approximately 15-20%. These results indicated that the replacement ratio of recycled coarse aggregate within 30% is a suitable to use for structural members. The results of finite element analysis showed that the specimens with 30% replacement ratio possessed similar or more excellent structural performance than normal concrete specimens. However, recycled aggregate concrete with 60% replacement ratio of recycled coarse aggregate must be carefully considered for structural applications due to significant decrease of the failure loads.
The growing use of unprotected or partially protected steelwork in buildings has caused a lively debate regarding the safety of this form of construction. A good deal of recent research has indicated that steel members have a substantial inherent ability to resist fire so that additional fire protection can be either reduced or eliminated completely. A performance based philosophy also extends the study into the effect of structural continuity and the performance of the whole structural totality. As part of the structural system, thermal expansion during the heating phase or contraction during the cooling phase in most beams is likely to be restrained by adjacent parts of the whole system or sub-frame assembly due to compartmentation. This has not been properly addressed before. This paper describes an experimental programme in which unprotected steel beams were tested under load while it is restrained between two columns and additional horizontal restraints with particular concern on the effect of catenary action in the beams when subjected to large deflection at very high temperature. This paper also presents a three-dimensional mathematical modelling, based on the finite element method, of the series of fire tests on the part-frame. The complete analysis starts with an evaluation of temperature distribution in the structure at various time levels. It is followed by a detail 3-D finite element analysis on its structural response as a result of the changing temperature distribution. The principal part of the analysis makes use of an existing finite element package FEAST. The effect of columns being fire-protected and the beam being axially restrained has been modelled adequately in terms of their thermal and structural responses. The consequence of the beam being restrained is that the axial force in the restrained beam starts as a compression, which increases gradually up to a point when the material has deteriorated to such a level that the beam deflects excessively. The axial compression force drops rapidly and changes into a tension force leading to a catenary action, which slows down the beam deflection from running away. Design engineers will be benefited with the consideration of the catenary action.
The effect of structure size on the nominal strength of unidirectional fiber-polymer composites, failing by propagation of a kink band with fiber microbuckling, is analyzed experimentally and theoretically. Tests of novel geometrically similar carbon-PEEK specimens, with notches slanted so as to lead to a pure kink band (without shear or splitting cracks), are conducted. The specimens are rectangular strips of widths 15.875, 31.75. and 63.5 mm (0.625, 1.25 and 2.5 in and gage lengths 39.7, 79.375 and 158.75 mm (1.563, 3.125 and 6.25 in.). They reveal the existence of a strong (deterministic. non-statistical) size effect. The doubly logarithmic plot of the nominal strength (load divided by size and thickness) versus the characteristic size agrees with the approximate size effect law proposed for quasibrittle failures in 1983 by Bazant This law represents a gradual transition from a horizontal asymptote, representing the case of no size effect (characteristic of plasticity or strength criteria), to an asymptote of slope -1/2 (characteristic of linear elastic fracture mechanics. LEFM) . The size effect law for notched specimens permits easy identification of the fracture energy of the kink bandand the length of the fracture process zone at the front of the band solely from the measurements of maximum loads. Optimum fits of the test results by the size effect law are obtained, and the size effect law parameters are then used to identify the material fracture characteristics, Particularly the fracture energy and the effective length of the fracture process zone. The results suggest that composite size effect must be considered in strengthening existing concrete structural members such as bridge columns and beams using a composite retrofitting technique.
A steel-concrete composite column is a recently developed composite system in which the two opposite flanges of the H-shape section are connected by welded links, and the vacant space enclosed by the flanges, web, and links is filled with concrete. Previous experiments on the SC composite column were performed to evaluate its compression and bending and shear strengths, respectively, and they showed fairly good results. In addition to thesestudies, it may be necessary to evaluate the flexural-axial capacity of an SC composite column, because itscolumn members are generally subjected to axial force and bending moment at the same time. In this study, the bending strength of an SC composite column subjected to axial compression force was investigated experimentally. The results of the study showed that the AISC-LRFD provisions representedexcessively low values compared with those of the ACI, Eurocode-4, and Japan Code provisions. The Eurocode-4 provisions represented reasonable evaluations of the strength of the SC composite column composed of a non-compact section.
A mechanical model was developed to predict the behavior of point-loaded RC slender beams (a/d > 2.5) without stirrups. It is commonly accepted by most researchers that a diagonal tension crack plays a predominant role in the failure mode of these beams, but the failure mechanism of these members is still debatable. In this paper, it was assumed that diagonal tension failure was triggered by the concrete cover splitting due to the dowel action at the initial location of diagonal tension cracks, which propagate from flexural cracks. When concrete cover splitting occurred, the shape of a diagonal tension crack was simultaneously developed, which can be determined from the principal tensile stress trajectory. This fictitious crack rotates onto the crack tip with load increase. During the rotation, all forces acting on the crack (i.e, dowel force of longitudinal bars, vertical component of concrete tensile force, shear force by aggregate interlock, shear force in compression zone) were calculated by considering the kinematical conditions such as crack width or sliding. These forces except for the shear force in the compression zone were uncoupled with respect to crack width and sliding by the proposed constitutive relations for friction along the crack. Uncoupling the shear forces along the crack was aimed at distinguishing each force from the total shear force and clarifying the failure mechanism of RC slender beams without stirrups. In addition, a proposed method deriving the dowel force of longitudinal bars made it possible to predict the secondary shear failure. The proposed model can be used to predict not only the entire behavior of point-loaded RC slender shear beams, but also the ultimate shear strength. The experiments used to validate the proposed model are reported in a companion paper.
In this paper, a Performance Based Design (PBD) approach is validated for multi-storey concentrically braced frame (CBF) systems. Direct Displacement Based Design (DDBD) procedure is used and validated by designing 4- and 12-storey CBF buildings. Nonlinear time history analysis (NLTHA) is used to check the performance of the design methodology by employing different accelerograms having displacement spectra matching the design displacement spectrum. Displacements and drifts obtained from NLTHA are found to fall within the design displacement limits used in the DDBD procedure. In NLTHA, both tension and compression members are found to be resisting the base shear, $F_b$, not only the tension members as assumed in the design methodology and suggested by Eurocode 8. This is the reason that the total $F_b$ in NLTHA is found to be greater than the design shear forces. Furthermore, it is found that the average of the maximum ductility values recorded from the time history analyses for the 4-and 12-storey buildings are close to the design ductility obtained from the DDBD methodology and ductility expressions established by several researchers. Moreover, the DDBD is compared to the Forced Based Design (FBD) methodology for CBFs. The comparison is carried out by designing 4 and 12-storey CBF buildings using both DDBD and FBD methodologies. The performance for both methodologies is verified using NLTHA. It is found that the $F_b$ from FBD is larger than $F_b$ obtained from DDBD. This leads to the use of larger sections for the structure designed by FBD to resist the lateral forces.
Conventional nonlinear finite element analysis requires complicated modeling and analytical technique. Furthermore, it is difficult to interpret the analytical results presented as the stress-strain relationship. In the present study, a design-oriented analytical method using the truss model was developed. A reinforced concrete member to be analyzed was idealized by longitudinal, transverse, and diagonal line elements. Basically, each element was modeled as a composite element of concrete and re-bars. Simplified cyclic models for the concrete and re-bar elements were developed. RC beams and walls with various reinforcement details were analyzed by the proposed method. The inelastic strength, energy dissipation capacity, deformability, and failure mode predicted by the proposed method were compared with those of existing experiments. The results showed that the proposed model accurately predicted the strength and energy dissipation capacities, and to predict deformability of the members, the compression-softening model used for the concrete strut element must be improved.
The spectral analysis of surface waves (SASW) method, which is an in-situ seismic technique, has mainly been developed and used for many years to determine the stiffness profile of layered media (such as asphalt concrete and layered soils) in an infinite half-space. This paper presents a modified experimental technique for nondestructive evaluation of in-place cement mortar compressive strength in single-layer concrete slabs of rather a finite thickness through a correlation to surface wave velocity. This correlation can be used in the quality control of early age cement mortar structures and in evaluating the integrity of structural members where the infinite half space condition is not met. In the proposed SASW field test, the surface of the structural members is subjected to an impact, using a 12 mm steel ball, to generate surface wave energy at various frequencies. Two accelerometer receivers detect the energy transmitted through the medium. By digitizing the analog receiver outputs, and recording the signals for spectral analysis, surface wave velocities can be identified. Modifications to the SASW method includes the reduction of boundary reflections as adopted on the surface waves before the point where the reflected compression waves reach the receivers. In this study, the correlation between the surface wave velocity and the compressive strength of cement mortar is developed using one 36"x36"x4"(91.44$\times$91.44$\times$91.44 cm) cement mortar slab of 2,000 psi (140 kgf/$\textrm{cm}^2$) and two 36"x36"x4"(91.44$\times$91.44$\times$91.44 cm) cement mortar slabs of 3,000 psi (210 kgf/$\textrm{cm}^2$).
The stress-strain relationship of polymer concrete flexural member was evaluated using C-shaped polyester concrete specimen, the compressive strength of which is 1400 kgf/$\textrm{cm}^2$. Eccentric compression test was performed to estimate the parameters, ${\alpha}$, ${\beta}$1, ${\gamma}$ for equivalent rectangular stress block. The ultimate moment strength ware obtained from the bending test on reinforced polymer concrete beams which were prepared with S different tensile steel ratios with a shear span ratio of 4.0. These values were compared with theoretical ultimate moment strengths, which were obtained using the parameters ${\alpha}$=0.61 and ${\beta}$1=0.73 from stress-stain curves of C-shaped specimens. The results showed that, when tensile steel ratio was over 0.50 $\rho$b, the experimentally obtained moment strengths were well matched with theoretically calculated values. In order to develop accurate criteria for polymer concrete flexural members, however, many other expermental studies for parameter determination are necessary using C-shaped specimens which have various compressive strengths and different sizes.
Recently, high performance(strength) steels have been utilized to structural materials in buildings and bridges with the demand for high-rise and long-span of main structures. This paper is a series of basic study for the design specification of structural members using high performance steel, material properties of high performance rolled steel building structures. HSA800 was compared with the requirements of Korean Standards(KS) for HSA800. Welded square tube stub columns with variables of width-to-thickness ratios are planned in order to investigate the local buckling behaviors and check the current design limit of width-to-thickness ratio and uniaxial compressive tests are carried out. In addition, the local buckling behaviors of stub columns obtained finite element analysis were compared with those of test results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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