In the finite element analysis of reinforced concrete structures, discrete representation of the steel reinforcing bars is considered advantageous over smeared representation because of the more realistic modelling of their bond-slip behaviour. However, there is up to now limited research on how to simulate the dowel action of discrete reinforcing bars, which is an important component of shear transfer in cracked concrete structures. Herein, a numerical model for the dowel action of discrete reinforcing bars is developed. It features derivation of the dowel stiffness based on the beam-on-elastic-foundation theory and direct assemblage of the dowel stiffness matrix into the stiffness matrices of adjoining concrete elements. The dowel action model is incorporated in a nonlinear finite element program based on secant stiffness formulation and application to deep beams tested by others demonstrates that the incorporation of dowel action can improve the accuracy of the finite element analysis.
Park, Seong Tae;Park, Jun Young;Lee, Jae Hoon;Kim, Hyung Bae
International Journal of Highway Engineering
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v.15
no.1
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pp.23-36
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2013
PURPOSES: The problem under this circumstance is that the erosion not only drops strength of the steel dowel bar but also comes with volume expansion of the steel dowel bar which can reduce load transferring efficiency of the steel dowel bar. To avoid this erosion problem, alternative dowers bars are developed. METHODS: In this study, the bearing stresses between the FRP tube dowel bar and concrete slab are calculated and compared with its allowable bearing stress to check its structural stability in the concrete pavement. These comparisons are conducted with several cross-sections of FRP tube dowel bars. Comprehensive laboratory tests including the shear load-deflection test on a full-scale specimen and the full-scale accelerated joint concrete pavement test are conducted and the results were compared with those from the steel dowel bar. RESULTS: In all cross-sections of FRP tube dowel bars, computed bearing stresses between the FRP tube dowel bar and concrete slab are less than their allowable stress levels. The pultrusion FRP-tube dowel bar show better performance on direct shear tests on full-scale specimen and static compression tests at full-scale concrete pavement joints than prepreg and filament-winding FRP-tube dowel bar. CONCLUSIONS: The FRP tube dowel bars as alternative dowel bar are invulnerable to erosion that may be caused by moisture from masonry joint or bottom of the pavement system. Also, the pultrusion FRP-tube dowel bar performed very well on the laboratory evaluation.
This research is aimed to investigate the influence of the structural parameters on dowel action of reinforcing bars in reinforced concrete members. I~ollowing the previous research, $^{(3.6)}$ a total of forty two specimens were tested to scrutinize the dowel action of reinforcing bars. Concrete cover, reinforcing bar size and bar distance were taken as main test variables for constant compressive strength of concrete. ]+om the test results, the structural behavior of all specimens was almost linear up to failure load. It is seen that dowel force increases as concrete cover increases. Reinforcing bar size and bar distance hardly affects dowel force. It is found that the dowel forces obtained by this experimental research is relatively close to that of regression analysis results and White's equation.
Dowel bars in the jointed concrete pavement are used to both provide load transfer across pavements joints and prevent the joint faulting leading to longer service life. On the contrary, the misplacement of dowel bar can provide negative results including the joint freezing(locking) that may cause the joint spatting and unexpected mid-slab cracking. The dowel bar can be placed using the assembly or dowel bar inserter (DBI) during the concrete pavement construction. In the domestic practice of the concrete pavement construction, the dowel bar is placed using the assembly method. This study primarily focuses on the comparison of these two dowel placement methods using the field data from the KHC test road in which both dowel placement methods have been applied to a certain length of the concrete pavement. The field data regarding the alignment of the dowel bars placed by both methods was collected using MIT-SCAN2, a nondestructive measuring equipment, and processed to compute Joint Score and Running Ave. Joint Score which are used as indicators of the dowel bar performance. The comparison of the methods for the dowel bar placement using these indicators shows that the DBI method provided much better alignment of the dowel bars reducing the risk of joint freezing than the assembly method. In order to improve the quality of the dowel bar placement using the assembly method, the current weak points of the assembly method including the fabrication, storage, and installation of dowel bar assembly were investigated and the solution was suggested. The improved dowel bar sets based on the suggested solution have been applied to an actual practice of the concrete pavement construction. The field data shows that the improved assembly method suggested in this study can highly reduce the risk of joint freezing.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.5
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pp.2125-2133
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2013
Recently, an interest on joint behavior between adjacent concrete slab tracks has increasing due to large application of such track system. Dowel bars are widely used to improve load transfer capacity across the joints. Dowel bars reduce the deflections and stresses by transferring the load between the slabs. This study proposes the lumped shear spring model to efficiently model dowel joints of adjacent slabs. This model includes bearing stiffness between dowel bar and concrete as well as dowel gap. Strength of the proposed spring model is evaluated based on Concrete Capacity Design method under the assumption of shear failure mode in the joints. Experiments are also performed up to failure to evaluate the accuracy of the proposed model. It has been observed that the proposed model is able to predict initial nonlinearity due to dowel gap, and capture material nonlinearity of the test slabs. Thus, it is recommended that the proposed model can be effectively applied to the dowel joints of concrete slab track.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1993.10a
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pp.250-255
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1993
This research is aimed at the experimental investigation of the characteristic contribution of the structural parameters, such as concrete over, concrete strength and reinforcing bar size on the dowel strength of the reinforced concrete stuctures. A total of twenty four specimens were tested for eight experimental conditions. The test results showed relatively close agreements with the values calculated by Vintzeleou-tassios equation. From the observations of the test results, it was found that the concrete cover affected almost linearly on the dowel strength , while the var size and the concrete strength showed coupled effects.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1994.04a
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pp.59-64
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1994
Following the previous research(7), a total of forty six specimens were tested to scrutinize the dowel action of reinforcing bars. Concrete cover, width of specimen and reinforcing bar size were taken as main test variables for constant compressive strength of concrete, based on the observation of the test results, the characteristic effects of the test variables on the dowel strength have been analyzed.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1994.10a
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pp.350-355
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1994
This study is aimed at the experimental investigation of the influence of the structural parameters such as concrete cover, width of specimen and bar size on the dowel action of reinforcing bari in high strength concrete members. Based on the proper combination of these parameter, a total of 46 specimens has been cast for fc'= 500 ㎏/㎠ and another 46 specimens for fc'= 700 ㎏/㎠, and cured at the laboratory. Comparative analyses have been made for the parametric contribution to the dowel strength from the test results, and a regress equation has been suggested.
The composite structures of steel and reinforced concrete, which have been widely used in large-scale concrete structures, werestudied to investigate the cause of unexpected cracks and to verify the composite actions between the two materials. Vertical stiffeners between flanges, studs and dowel bars, stirrups, and concrete strength were chosen as experimental variables in afour-point loading test. The results showed that the vertical stiffener prevented not only the local web buckling, but also bond failures between steel and concrete. It increased the flexural resistance (fracture loads) due to the composite action of two materials, compared withthose of any experimental variable. However, the composite behavior of steel reinforced concrete beam was not affected seriously by additional studs, dowel bars, stirrups, and concrete strength.
A nonlinear finite element modeling approach is developed to assess the behavior of a dowel bar embedded on a single concrete block substrate, subjected to monotonic loading. In this approach, a discrete representation of the steel reinforcing bar is considered, using beam finite elements with nonlinear material behavior. The bar is connected to the concrete embedment through nonlinear Winkler spring elements. This modeling approach can only be used if a new constitutive model is developed for the spring elements, to simulate the deformability and strength of the concrete substrate. To define this constitutive model, an extensive literature review was conducted, as well as 3 experimental tests, in order to select the experimental data which can be used in the calibration of the model. Based on this data, an empirical model was established to predict the global dowel response, for a wide range of bar diameters and concrete strengths. This empirical model provided the information needed for calibration of the nonlinear Winkler spring model, valid for dowel displacements up to 4 mm. This new constitutive model is composed by 5 stages, in order to reproduce the concrete substrate response.
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