Coupled thermo-mechanical analysis of reinforced concrete slab at elevated temperatures from a fire accounting for nonlinear thermal parameters is carried out. The main focus of the paper is put on a one-way continuous reinforced concrete slab exposed to fire from the single (bottom) side as the most typical working condition under fire loading. Although contemporary techniques alongside the fire protection measures are in constant development, in most cases it is not possible to avoid the material deterioration particularly nearby the exposed surface from a fire. Thereby the structural fire resistance of reinforced concrete slabs is mostly influenced by a relative distance between reinforcement and the exposed surface. A parametric study with variable concrete cover ranging from 15 mm to 35 mm is performed. As the first part of a one-way coupled thermo-mechanical analysis, transient nonlinear heat transfer analysis is performed by applying the net heat flux on the exposed surface. The solution of proposed heat analysis is obtained at certain time steps of interest by α-method using the explicit Euler time-integration scheme. Spatial discretization is done by the finite element method using a 1D 2-noded truss element with the temperature nodal values as unknowns. The obtained results in terms of temperature field inside the element are compared with available numerical and experimental results. A high level of agreement can be observed, implying the proposed model capable of describing the temperature field during a fire. Accompanying thermal analysis, mechanical analysis is performed in two ways. Firstly, using the guidelines given in Eurocode 2 - Part 1-2 resulting in the fire resistance rating for the aforementioned concrete cover values. The second way is a fully numerical coupled analysis carried out in general-purpose finite element software DIANA FEA. Both approaches indicate structural fire behavior similar to those observed in large-scale fire tests.
This paper aims at examining the effects of sustained load and elevated temperature on the time-dependent deformation of a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets bonded to concrete as well as the pull-off strength of single-lap shear specimens after the sustained loading period using digital images. Elevated temperature during the sustained loading period resulted in increased slip of the CFRP composites, whereas increased curing time of the polymer resin prior to the sustained loading period resulted in reduced slip. Pull-off tests conducted after sustained loading period showed that the presence of sustained load resulted in increased pull-off strength and interfacial fracture energy. This beneficial effect decreased with increased creep duration. Based on analysis of digital images, results on strain distributions and fracture surfaces indicated that stress relaxation of the epoxy occurred in the 30 mm closest to the loaded end of the CFRP composites during sustained loading, which increased the pull-off strength provided the failure locus remained mostly in the concrete. For longer sustained loading duration, the failure mode of concrete-CFRP bond region can change from a cohesive failure in the concrete to an interfacial failure along the concrete/epoxy interface, which diminished part of the strength increase due to the stress relaxation of the adhesive.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.9
no.1
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pp.243-250
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2005
In elevated irrigation aquaducts, one can observe a common damage pattern. That is, cracks, and crushing of concrete are usually repeated at a certain interval even if no faults are found in the design and construction of the structures. To investigate the causes of this damage, longitudinal deformations of several aquaducts have been measured. The analysis of the measured data suggests that the damages are mainly caused by cumulative repetition of extension and contraction due to temperature changes.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.04a
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pp.869-872
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2008
Recently, the effects of high temperature on compressive strength, elastic modulus and strain at peak stress of high strength concrete were experimentally investigated. The present study is aimed to study the effect of elevated temperatures ranging from 20 to $700^{\circ}C$ on the material mechanical properties of high-strength concrete of 40, 60, 80MPa grade. In this study, the types of test were the stressed test and stressed residual test that the specimens are subjected to a 25% of ultimate compressive strength at room temperature and sustained during heating and when target temperature is reached, the specimens are loaded to failure. Or specimens are loaded to failure after 24hour cooling time. tests were conducted at various temperatures ($20{\sim}700^{\circ}C$) for concretes made with W/B ratios 46%, 32% and 25%. Test results showed that the relative values of compressive strength and elastic modulus decreased with increasing compressive strength grade of specimen.
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.24
no.6
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pp.261-267
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2014
In this study, we manufactured melting temperature controllable modified surfur (MS) and studied the properties of sulfur modified cement concrete (SMC). We investigated the effects of sulfur and pyridine content on melting temperature of MS. The reaction is confirmed by measuring Raman spectrophotoscopy. The SMC was produced at Water (W)/Cement (C) = 45 wt%, Sand (S)/Aggregate (A) = 45 wt% and 5, 10, 15 and 20 % of MS on the basis of conventional portland cement, respectively. And then physical properties such as compressive strength, splitting tensile strength and permeability of SMC were measured. As MS added, permeability was decreased, while strength and spalling properties were improved. To confirm the safety of MS and SMC, pyrolyzed gas chromatography (P-GC) and gas hazard test were conducted. The results showed that MS and SMC were relatively safe at an elevated temperature.
A review is presented of experimental studies on the strength performance of concrete exposed at short-term and rapid heating as in a fire and after cooling. Emphasis is placed on concretes with high original compressive strengths, that is, high-strength concrete(HSC). The compressive strength-temperature relationships from the reviewed test programs are distinguished by the test methods used in obtaining the data(unstressed, unstressed residual strength, and stressed tests) and by the aggregate types(normal or lightweight), The compressive strength properties of HSC vary differently with temperature than those of NSC. HSC have higher rates of strength loss than lower strength concrete in the temperature range of between 20$^{\circ}C$ to about 400$^{\circ}C$. These difference become less significant at temperatures above 400$^{\circ}C$ compressive strengths of HSC at 800$^{\circ}C$ decrease to about 30 % of the original room temperature strength. A comparison of lest results with current code provisions on the effects of elevated temperatures on concrete compressive strength and elastic modulus shows that the CEN Eurocodes and the CEB provisions are unconservative.
Kim, Gyu-Yong;Kang, Yeoun-Woo;Lee, Tae-Gyu;Choe, Gyeong-Cheol;Yoon, Min-Ho
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.12
no.3
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pp.323-331
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2012
Since the 1970s, the mechanical properties of concrete at high temperature, such as compressive strength, elastic modulus, thermal strain, etc. have been investigated. Internal and external factors should be effect to concrete elevated temperature. In particular, the thermal properties of aggregate and cooling conditions are most important to estimate residual mechanical properties. This study evaluates the mechanical properties of concrete with aggregate type and cooling methods. We use normal and light aggregate for different thermal properties, and also test mechanical properties to use ${\O}100{\times}200$ mm cylinder specimen according to target temperature, slow cooling and water cooling. We found that normal aggregate concrete that uses is more highly influenced by cooling conditions than concrete that uses light aggregate concrete. In addition, the residual mechanical properties of concrete increase as cooling velocity lowers.
In this study, the fracture toughness $K_{IC}$ of high performance concrete (HPC) was investigated by conducting three-point bending tests on a total of 240 notched beams of $500mm{\times}100mm{\times}100mm$ subjected to heating temperatures up to $450^{\circ}C$ with exposure times up to 16 hours and various heating and cooling rates. For a heating rate of $3^{\circ}C/min$, $K_{IC}$ for the hot concrete sustained a monotonic decrease trend with the increasing heating temperature and exposure time, from $1.389MN/m^{1.5}$ at room temperature to $0.942MN/m^{1.5}$ at $450^{\circ}C$ for 4-hour exposure time, $0.906MN/m^{1.5}$ for 8-hour exposure time and $0.866MN/m^{1.5}$ for 16-hour exposure time. For the cold concrete, $K_{IC}$ sustained a two-stage decrease trend, dropping slowly with the heating temperature up to $150^{\circ}C$ and then rapidly down to $0.869MN/m^{1.5}$ at $450^{\circ}C$ for 4-hour exposure time, $0.812MN/m^{1.5}$ for 8-hour exposure time and $0.771MN/m^{1.5}$ for 16-hour exposure time. In general, the $K_{IC}$ values for the hot concrete up to $200^{\circ}C$ were larger than those for the cold concrete, and an inverse trend was observed thereafter. The increase in heating rate slightly decreased $K_{IC}$, and at $450^{\circ}C$$K_{IC}$ decreased from $0.893MN/m^{1.5}$ for $1^{\circ}C/min$ to $0.839MN/m^{1.5}$ for $10^{\circ}C/min$ for the hot concrete and from $0.792MN/m^{1.5}$ for $1^{\circ}C/min$ to $0.743MN/m^{1.5}$ for $10^{\circ}C/min$ for the cold concrete after an exposure time of 16 hours. The increase in cooling rate also slightly decreased $K_{IC}$, and at $450^{\circ}C$$K_{IC}$ decreased from $0.771MN/m^{1.5}$ for slow cooling to $0.739MN/m^{1.5}$ for fast cooling after an exposure time of 16 hours. The fracture energy-based fracture toughness $K_{IC}$' was also assessed, and similar decrease trends with the heating temperature and exposure time existed for both hot and cold concretes. The relationships of two fracture toughness parameters with the weight loss and the modulus of rapture were also evaluated.
In Our Country, the fire safety design is done by the standard furnace fire test. This is haphazard procedure, as the standard furnace fire endurance of structural elements has little relation to the structural element endurance in an actual Compartment fire. The standard furnace fire test results, though obtained at great cost, do not contribute to the understanding of the behavior of structural elements in an elevated temperature environment and can not be applied rationally in fire safety design. The response of a steel and reinforced concrete structure in fire is a very complex problem. Therefore, in this paper is explained about tendency of study for fire safety design in advanced nations.
Artificial neural network models can be successfully used to simulate the complex behavior of many problems in civil engineering. As compared to conventional computational methods, this popular modeling technique is powerful when the relationship between system parameters is intrinsically nonlinear, or cannot be explicitly identified, as in the case of concrete behavior. In this investigation, an artificial neural network model was developed to assess the residual compressive strength of self-compacted concrete at elevated temperatures ($20-900^{\circ}C$) and various relative humidity conditions (28-99%). A total of 332 experimental datasets, collected from available literature, were used for model calibration and verification. Data used in model development incorporated concrete ingredients, filler and fiber types, and environmental conditions. Based on the feed-forward back propagation algorithm, systematic analyses were performed to improve the accuracy of prediction and determine the most appropriate network topology. Training, testing, and validation results indicated that residual compressive strength of self-compacted concrete, exposed to high temperatures and relative humidity levels, could be estimated precisely with the suggested model. As illustrated by statistical indices, the reliability between experimental and predicted results was excellent. With new ingredients and different environmental conditions, the proposed model is an efficient approach to estimate the residual compressive strength of self-compacted concrete as a substitute for sophisticated laboratory procedures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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