This paper presents the results of axial compression testing and numerical modeling on reinforced concrete columns (RCC) with normal concrete (NC) and high-strength concrete (HSC), RCC confined by glass-fiber reinforced plastic pipes (GRP) casing as well as carbon fiber reinforced polymer (CFRP), The major parameters evaluated in the experiments were the effects of concrete type, GRP casing and CFRP wrapping, as well as the number of CFRP layers. 12 cylindrical RCC ($150{\times}600mm$) were prepared and divided into two groups, NC and HSC. Each group was divided into two parts; with and without GRP casing. In each part, one column was without CFRP strengthening layer, a column was wrapped with one CFRP layer and another column with two CFRP layers. All columns were tested under concentrated compression load. Numerical modeling was performed using ABAQUS software and the results of which were compared with experimental findings. A good agreement was found between the results. Results indicated that the utilization of CFRP wrapping and GRP casing improved compression capacity and ductility of RCC. The addition of one and two layer-FRP wrapping increased capacity in the NC group to an average of 18.5% and 26.5% and in the HSC group to an average of 10.2% and 24.8%. Meanwhile, the utilization of GRP casing increased the capacity of the columns by 3 times in the NC group and 2.38 times in the HSC group. The results indicated that although both CFRP wrapping and GRP casing increased confinement, the GRP casing gave more increase capacity and ductility of the RCC due to higher confinement. Furthermore, the confinement effect was higher on NC group.
Nematzadeh, Mahdi;Fazli, Saeed;Hajirasouliha, Iman
Steel and Composite Structures
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v.23
no.5
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pp.517-527
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2017
In this paper, the effect of active confinement on the compressive behaviour of circular steel tube-confined concrete (STCC) and concrete-filled steel tube (CFST) columns is investigated. In STCC columns the axial load is only applied to the concrete core, while in CFST columns the load is carried by the whole composite section. A new method is introduced to apply confining pressure on fresh concrete by laterally prestressing steel tubes. In order to achieve different prestressing levels, short-term and long-term pressures are applied to the fresh concrete. Three groups of STCC and CFST specimens (passive, S-active and L-active groups) are tested under axial loads. The results including stress-strain relationships of composite column components, secant modulus of elasticity, and volumetric strain are presented and discussed. Based on the elastic-plastic theory, the behaviour of the steel tube is also analyzed during elastic, yielding, and strain hardening stages. The results show that using the proposed prestressing method can considerably improve the compressive behaviour of both STCC and CFST specimens, while increasing the prestressing level has insignificant effects. By applying prestressing, the linear range in the stress-strain curve of STCC specimens increases by almost twice as much, while the improvement is negligible in CFST specimens.
In the design of concrete columns, it is important to provide some nominal flexural ductility even for structures not subjected to earthquake attack. Currently, the nominal flexural ductility is provided by imposing empirical deemed-to-satisfy rules, which limit the minimum size and maximum spacing of the confining reinforcement. However, these existing empirical rules have the major shortcoming that the actual level of flexural ductility provided is not consistent, being generally lower at higher concrete strength or higher axial load level. Hence, for high-strength concrete columns subjected to high axial loads, these existing rules are unsafe. Herein, the combined effects of concrete strength, axial load level, confining pressure and longitudinal steel ratio on the flexural ductility are evaluated using nonlinear moment-curvature analysis. Based on the numerical results, a new design method that provides a consistent level of nominal flexural ductility by imposing an upper limit to the axial load level or a lower limit to the confining pressure is developed. Lastly, two formulas and one design chart for direct evaluation of the maximum axial load level and minimum confining pressure are produced.
The reliable pushover analysis of RC structures requires a realistic prediction of moment-curvature relations, which can be obtained by utilizing proper constitutive models for the stress-strain relationships of laterally confined concrete members. Theoretical approach of Mander is still a single stress-strain model, which employs a multiaxial failure surface for the determination of the ultimate strength of confined concrete. Alternatively, this paper introduces a simple and practical failure criterion for confined concrete with emphasis on introduction of significant modifications into the two-parameter Drucker-Prager model. The new criterion is only applicable to triaxial compression stress state which is exactly the case in the RC columns. Unlike many existing multi-parameter criteria proposed for the concrete fracture, the model needs only the compressive strength of concrete as an independent parameter and also implies for the influence of the Lode angle on the material strength. Adopting Saenz equation for stress-strain plots, satisfactory agreement between the measured and predicted results for the available experimental test data of confined normal and high strength concrete specimens is obtained. Moreover, it is found that further work involving the confinement pressure is still encouraging since the confinement model of Mander overestimates the ultimate strength of some RC columns.
Hollow steel-reinforced concrete-filled GFRP tubular member is a new kind of composite members. Firstly set the mold in the GFRP tube (non-bearing component), then set the longitudinal reinforcements with stirrups (steel reinforcement cage) between the GFRP tube and the mold, and filled the concrete between them. Through the axial compression test of the hollow steel-reinforced concrete-filled GFRP tubular member, the working mechanism and failure modes of composite members were obtained. Based on the experiment, when the load reached the ranges of $55-70%P_u$ ($P_u-ultimate$ load), white cracks appeared on the surface of the GFRP tubes of specimens. At that time, the confinement effects of the GFRP tubes on core concrete were obvious. Keep loading, the ranges of white cracks were expanding, and the confinement effects increased proportionally. In addition, the damages of specimens, which were accompanied with great noise, were marked by fiber breaking and resin cracking on the surface of GFRP tubes, also accompanied with concrete crushing. The bearing capacity of the axially compressed components increased with the increase of reinforcement ratio, and decreased with the increase of hollow ratio. When the reinforcement ratio was increased from 0 to 4.30%, the bearing capacity was increased by about 23%. When the diameter of hollow part was decreased from 55mm to 0, the bearing capacity was increased by about 32%.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.12
no.3
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pp.110-118
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2008
The use of FRP bar as reinforced concrete beams is considered as one of the most prominent solution that may overcome the corrosion of reinforcing steel bars. However, in the case of FRP reinforced concrete, both the reinforcing and the reinforced materials are brittle. For this reason, ductility of structures with FRP reinforcement is much less than that of structures with steel reinforcements. In this study, a method has been suggested to provide a meaningful quantification of ductility for concrete beams reinforced with FRP bars. This paper shows which the confinement to the compression concrete by the spiral can increase the ductility of FRP over-reinforced concrete beams.
This paper presents experimental and analytical studies on long-term behavior of square CFT columns under central axial loading. Two loading cases are considered; (1) the load applied only at the inner concrete of the column and (2) the load applied simultaneously on both the concrete and the steel tube. Four specimens of square CFT columns were tested under the two loading cases, and basic creep test for two concrete specimens was performed to find out the creep properties of the inner concrete. Three-dimensional finite element analysis models were established and verified with the experimental results. The verification shows that the prediction for the long-term behavior of actual square CFT columns is possible from the three dimensional finite element modeling considering the bond behavior between steel tube and inner concrete. Also, experimental results and numerical calculations revealed that the bond stress Induced by the confinement pressure as well as the slip between inner concrete and steel tube were increased with time In the first loading case. However, the confinement by the loading Plate was decreased with time while increasing confinement effect by the steel tube was observed over time. In contrast no confinement effects occur in the second loading case.
In the recent decades, the application of composite materials, due to their desirable properties, has increased dramatically. In the present study, a quasi-encased trapezoidal section composite steel beam encased with concrete is thoroughly examined. Calculation of the load bearing capacity is carried out by finite element modeling of concrete and FRP beams with trapezoidal section under the effect of controlled displacement loading. The results are then validated comparing to the existing experimental results obtained from similar studies. Further on, the materials are changed to steel and concrete, and the section is de-signed in such a way that both concrete and steel reach a high percent-age of their load bearing capacity. In the last step, the parameters affecting the bending capacity and the behavior of the semi-confined composite beam are investigated. Results revealed that the beam diagonal web thickness plays the most effective role in load bearing capacity amongst other studied parameters. Furthermore, by analyzing the results on the effect of different parameters, an optimal model for primary beam section is presented, which exhibits a greater load bearing capacity compared to the initial design with the same amount of materials used for both sections.
It has been reported by the existing papers that the ultimate load capacity and energy absorption capacity of the CFST column are considerably higher than those resulting from a simple addition of the capacities of the concrete and the steel tube. It is normally believed that the confined effect for the infilled concrete due to the hoop tension of steel at the parameter of cross sections can remarkably improve the ductility and energy absorption capacities of the CFST columns. This paper provides the results of a study on the load-carrying capacities and energy absorption capacities of the CFST columns, a numerical analysis method, i. e. N-M interaction curves and Moment curvature relationships. The numerical approaches are verified by comparing with the existing test results and the circular and square steel tube sections are selected to clarify the amount of confinement effects to improve the ultimate deformable capacity(a ultimate strain value) of the infilled concrete. Then, an adequate value of the ultimate strain of the infilled concrete and an equation of the ultimate capacity of the CFST column are suggested.
In this paper, a finite element model (FEM) in ATENA-3D software was constructed to investigate the behavior of circular ultra high performance concrete (UHPC) filled steel tube stub columns (UHPC-FSTCs) under concentric loading on concrete core. The "CC3DNonLinCementitious2User" material type for concrete in ATENA-3D software with some modifications of material laws, was adopted to model for UHPC core with consideration the confinement effect. The experimental results obtained from Schneider (2006) were then employed to verify the accuracy of FEM. Extensive parametric analysis was also conducted to examine the influence of concrete compressive strength, steel tube thickness and steel yield strength on the compressive behavior of short circular UHPC-FSTCs. It can be observed that the columns with thicker steel tube show better strength and ductility, the sudden drop of load after initial peak load can be prevented. Based on the regression analysis of the results from parametric study, simplified formulae for predicting ultimate loads and strains were proposed and verified by comparing with previous analytical models, design codes and experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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