An improved finite element modeling technique is proposed for the assessment of load carrying capacity of partially prestressed concrete girder bridges. Based on the finite element method of analysis, shell and frame elements are used to model the slab and girders of the superstructure, respectively. In the modeling of superstructure, the emphasis is placed on the use of rigid link between the middle surface of slab an mid-plane of girder. This paper also includes the comparision of three different equations that are used in the calculation of effective moment of inertia for the partially prestressed concrete girders. Numerical analysis is performed for the unstrengthened and strengthened bridges. The obtained results are compared with those of load test for a prototype bridge. A good agreement is achieved between the numerical solutions by using the proposed method load test results.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.135-140
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2001
The radar method is becoming one of the major nondestructive testing (NDT) techniques for concrete structures. Numerical modeling of electromagnetic wave is needed to analyze radar measurement results and to study the influence of measurement parameters on the radar measurements. Finite difference-time domain (FD-TD) method is used to simulate electromagnetic wave propagation through concrete specimens. In the experiments, three concrete specimens are made with the dimensions of 100 cm (length) x 100 cm (wideth) x 14 cm (depth). Three specimens had a Dl6 steel bar at 8, 10, 12 cm depth.
Concrete hydraulic structures such as: Dams, Intake Towers, Piers and dock are usually recognized as" Vital and Special Structures" that must have sufficient safety margin at critical conditions like when earthquake occurred as same as normal servicing time. Hence, to evaluate hydrodynamic pressures generated due to seismic forces and Fluid-Structure Interaction (FSI); introduction to fluid-structure domains and interaction between them are inevitable. For this purpose, first step is exact modeling of water-structure and their interaction conditions. In this paper, the basic equation involved the water-structure-foundation interaction and the effective factors are explained briefly for concrete hydraulic structure types. The finite element modeling of two concrete gravity dams with 5 m, 150 m height, reservoir water and foundation bed rock is idealized and then the effects of fluid domain and bed rock have been investigated on modal characteristic of dams. The analytical results obtained from numerical studies and modal analysis show that the accurate modeling of dam-reservoir-foundation and their interaction considerably affects the modal periods, mode shapes and modal hydrodynamic pressure distribution. The results show that the foundation bed rock modeling increases modal periods about 80%, where reservoir modeling changes modal shapes and increases the period of all modes up to 30%. Reservoir-dam-foundation interaction increases modal period from 30% to 100% for different cases.
The Finite Element Analysis (FEA) is evidently a powerful tool for the analysis of structural concrete having nonlinearity and brittle failure properties. However, the result of FEA of structural concrete is sensitive to two modeling factors: the shear transfer coefficient (STC) for an open concrete crack and force convergence tolerance value (CONVTOL). Very limited work has been done to find the optimal FE Modeling (FEM) methodologies for structural concrete members strengthened with externally bonded FRP sheets. A total of 22 experimental deep beams with or without FRP flexure or/and shear strengthening systems are analyzed by nonlinear FEA using ANAYS program. For each experimental beams, an FE model with a total of 16 cases of modeling factor combinations are developed and analyzed to find the optimal FEM methodology. Two elements the SHELL63 and SOLID46 representing the material properties of FRP laminate are investigated and compared. The results of this research suggest that the optimal combination of modeling factor is STC of 0.25 and CONVTOL of 0.2. A SOLID 46 element representing the FRP strengthening system leads to better results than a SHELL 63 element does.
The mechanical behavior of prestressed concrete haunched beams (PSHBs) was investigated in depth using a finite element modeling technique in this study. The efficiency of finite element modeling was investigated in the first stage by taking into account a previous study from the literature. The first stage's findings suggested that finite element modeling might be preferable for modeling PSHBs. In the second stage of the research, a comprehensive parametric study was carried out to determine the effect of each parameter on PSHB load capacity, including haunch angle, prestress level, compressive strength, tensile reinforcement ratio, and shear span to depth ratio. PSHBs and prestressed concrete rectangular beams (PSRBs) were also compared in terms of capacity. Stochastic analysis was used in the third stage to define the uncertainty in PSHB capacity by taking into account uncertainty in geometric and material parameters. Standard deviation, coefficient of variation, and the most appropriate probability density function (PDF) were proposed as a result of the analysis to define the randomness of capacity of PSHBs. In the study's final section, a new equation was proposed for using symbolic regression to predict the load capacity of PSHBs and PSRBs. The equation's statistical results show that it can be used to calculate the capacity of PSHBs and PSRBs.
Metakaolin (MK), which is increasingly being used to produce high performance concrete, is produced by calcining purified kaolinite between 650 and $700^{\circ}C$ in a rotary kiln. The carbonation resistance of metakaolin blended concrete is lower than that of control concrete. Hence, it is critical to consider carbonation durability for rationally using metakaolin in the concrete industry. This study presents microstructure modeling during the carbonation of metakaolin blended concrete. First, based on a blended hydration mo del, the amount of carbonatable substances and porosity are determined. Second, based on the chemical reactions between carbon dioxide and carbonatable substances, the reduction of concrete porosity due to carbonation is calculated. Furthermore, $CO_2$ diffusivity is evaluated considering the concrete composition and exposed environment. The carbonation depth of concrete is analyzed using a diffusion-based model. The proposed microstructure model takes into account the influences of concrete composition, concrete curing, and exposure condition on carbonation. The proposed model is useful as a predetermination tool for the evaluation of the carbonation service life of metakaolin blended concrete.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2010.05a
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pp.471-472
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2010
In this study, a new modeling framework for predicting temperature and structural behaviors of structures under fire condition is proposed. The proposed modeling framework including fire simulation, heat transfer and structural analysis is applied to simulate fire tests performed on the steel-concrete composite structures in Cardington, UK, for model validations. Good predictions are shown for spatial-temporal temperatures and deflections of fire-damaged steel-concrete structures.
This work presents an accurate finite-difference time-domain (FDTD) dispersive modeling of concrete materials with different water/cement ratios in 50 MHz to 1 GHz. A quadratic complex rational function (QCRF) is employed for dispersive modeling of the relative permittivity of concrete materials. To improve the curve fitting of the QCRF model, the Newton iterative method is applied to determine a weighting factor. Numerical examples validate the accuracy of the proposed dispersive FDTD modeling.
Chloride ingress is a common cause of deterioration of reinforced concrete located in coastal zone. Modeling the chloride ingress is an important basis for designing reinforced concrete structures and for assessing the reliability of an existing structure. The modeling is also needed for predicting the deterioration of a reinforced structure. The existing deterministic solution for prediction model of corrosion initiation cannot reflect uncertainties which input variables have. This paper presents an approach to the fuzzy arithmetic based modeling of the chloride-induced corrosion of reinforcement in concrete structures that takes into account the uncertainties in the physical models of chloride penetration into concrete and corrosion of steel reinforcement, as well as the uncertainties in the governing parameters, including concrete diffusivity, concrete cover depth, surface chloride concentration and critical chloride level for corrosion initiation. There are a lot of prediction model for predicting the time of reinforcement corrosion of structures exposed to chloride-induced corrosion environment. In this work, RILEM model formula and Crank's solution of Fick's second law of diffusion is used. The parameters of the models are regarded as fuzzy numbers with proper membership function adapted to statistical data of the governing parameters instead of random variables of probabilistic modeling of Monte Carlo Simulation and the fuzziness of the time to corrosion initiation is determined by the fuzzy arithmetic of interval arithmetic and extension principle. An analysis is implemented by comparing deterministic calculation with fuzzy arithmetic for above two prediction models.
In recent years steel-concrete composite shear walls have been widely used in enormous high-rise buildings. Due to high strength and ductility, enhanced stiffness, stable cycle characteristics and large energy absorption, such walls can be adopted in the auxiliary building; surrounding the reactor containment structure of nuclear power plants to resist lateral forces induced by heavy winds and severe earthquakes. This paper demonstrates a set of nonlinear numerical studies on I-shaped composite steel-concrete shear walls of the nuclear power plants subjected to reverse cyclic loading. A three-dimensional finite element model is developed using ABAQUS by emphasizing on constitutive material modeling and element type to represent the real physical behavior of complex shear wall structures. The analysis escalates with parametric variation in steel thickness sandwiching the stipulated amount of concrete panels. Modeling details of structural components, contact conditions between steel and concrete, associated boundary conditions and constitutive relationships for the cyclic loading are explained. Later, the load versus displacement curves, peak load and ultimate strength values, hysteretic characteristics and deflection profiles are verified with experimental data. The convergence of the numerical outcomes has been discussed to conclude the remarks.
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