The objective of this paper is to develop a finite element procedure for predicting the compressive strength and ultimate axial strain of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) confined circular concrete columns and to study the effective parameters of confinement efficiency for helping design of CFRP retrofit technology. The behavior of concrete confined with CFRP is studied using the nonlinear finite element method. In this paper, effects of column size, CFRP volumetric ratio and plain concrete strength are studied. The confined concrete nonlinear constitutive relation, concrete failure criterion and stiffness reduction methodology after concrete cracking or crushing are adopted. First, the finite element model is verified by comparing the numerical solutions of confined concrete with experimental results. Then the effects of column size, CFRP volumetric ratio and plain concrete strength on the peak strength and ductility of the confined concrete are considered. The results of parametric study indicate that the normalized column axial strength increases with increasing CFRP volumetric ratio, but without size effect for columns with the same CFRP volumetric ratio. As the same, the increase in column ductility depends on CFRP volumetric ratio but without size effect for columns with the same CFRP volumetric ratio.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.5
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pp.287-297
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2022
This paper presents experimental and analytical studies on the lateral cyclic behavior of RC columns actively confined with iron-based shape memory alloy (Fe-SMA) strips. Based on the Anexperimental study, we investigated the effectiveness of active confinement through compression testings of concrete cylinders confined by Fe SMA strips and carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) sheets. The test results showed that the specimens confined with Fe SMA strips significantly increased the deformation capacity of the concrete, even under lower confining pressures, compared to those specimensconfined with CFRP sheets. The experimental results were used to develop finite-element models of RC columns confined with Fe SMA or CFRP in their plastic-hinge region. After validating the proposed analytical model through comparison with the results from a previous RC column test, a series of lateral cyclic load analyses were carried out for the RC columns confined with Fe SMA and CFRP. The analytical results revealed that the lateral cyclic behavior of the Fe SMA-confined column was greatly enhanced in terms of deformation and energy dissipation capacities compared with tothat of the as-built and CFRP-confined columns.
Lee, Jeonghwa;Byun, Namju;Kang, Young Jong;Won, Deok Hee;Kim, Seungjun
Steel and Composite Structures
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v.43
no.4
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pp.431-445
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2022
A double-skinned composite tubular (DSCT) column, which is an internally confined concrete-filled tubular column with a hollow section, has been developed for efficient use of materials that reduce self-weight and enhance seismic performance. It exhibits excellent material behavior with ductility owing to the confinement induced by outer and inner steel tubes. This study conducted axial compression tests considering the effects of steel tube thickness and hollow diameter ratios of DSCT columns on the material behavior of confined concrete under pure axial compression on concrete cores. From the axial compression tests, various combinations of outer and inner tube thicknesses and two different hollow section ratios were considered. Additionally, confined concrete material behavior, axial strength, failure modes, and ductility of DSCT columns were evaluated. Based on this study, it was concluded that the tests show a good correlation with peak strength and shapes of nonlinear stress-strain curves presented in literature; however, the thinner outer and inner steel tubes may reduce the ductility of DSCT columns when using thinner outer and inner tubes and higher confined stress levels. Finally, the minimum thickness requirements of the steel tubes for DSCT columns were discussed in terms of strength and ductility of test specimens.
Recycled aggregate concrete (RAC) is rarely used in load-carrying structural members. To widen its structural application, the compressive behavior of a promising type of composite column, steel-fiber reinforced polymer (FRP) double-tube confined RAC column, has been experimentally and analytically investigated in this study. The objectives are the different performance of such columns from their counterparts using natural aggregate concrete (NAC) and the different mechanisms of the double-tube and single-tube confined concrete. The single-tube confined concrete refers to that in concrete-filled steel tubular (CFST) columns and concrete-filled FRP tubular (CFFT) columns. The test results showed that the use of recycled coarse aggregates (RCA) affected the axial load-strain response in terms of deformation capacity but such effect could be eliminated with the increasing confinement. The composite effect can be triggered by the double confinement of the steel and carbon FRP (CFRP) tubes but not by the steel and polyethylene terephthalate (PET) FRP tubes. The proposed analysis-oriented stress-strain model is capable to capture the load-deformation history of such steel-FRP double-tube confined concrete columns under axial compression.
When the columns of existing RC structures are repaired with FRP composites, the core concrete of the columns is confined by both materials of steel spirals (or steel hoops) and FRP composites because the FRP composites wrap the existing columns which have been already confined with steel spirals or hoops. As the stress-strain curves of steel and fiber are different to each other, the behavior of concrete columns confined with both steel spiral and FRP composites is also different to that of concrete columns confined with only steel spiral or FRP composites. Twenty four RC cylinders were tested in order to observe the behavior of RC cylinders confined with both materials. The observed results of the test showed that the behavior of the test cylinders confined with both materials was quite different to that of cylinders confined with only one material.
This paper improves genetic programming (GP) and weight genetic programming (WGP) and proposes soft-computing polynomials (SCP) for accurate prediction and visible polynomials. The proposed genetic programming system (GPS) comprises GP, WGP and SCP. To represent confined compressive strength and strain of circular concrete columns in meaningful representations, this paper conducts sensitivity analysis and applies pruning techniques. Analytical results demonstrate that all proposed models perform well in achieving good accuracy and visible formulas; notably, SCP can model problems in polynomial forms. Finally, concrete compressive strength and lateral steel ratio are identified as important to both confined compressive strength and strain of circular concrete columns. By using the suggested formulas, calculations are more accurate than those of analytical models. Moreover, a formula is applied for confined compressive strength based on current data and achieves accuracy comparable to that of neural networks.
This paper presents the results of an experimental investigation on the compressive strength of small scale concentrically axially loaded fiber-reinforced polymer (FRP) confined plain concrete columns, with cylinder concrete strength 19 MPa. For columns with circular (150-mm diameter) and square (150-mm side) cross sections wrapped with glass- and carbon-FRP sheets (GFRP and CFRP, respectively) applied with dry lay-up the effect of different jacket schemes and different overlap configurations on the confined characteristics is investigated. Test results indicate that the most cost effective jacket configuration among those tested is for one layer of CFRP, for both types of sections. In square sections the location of the lap length, either in the corner or along the side, does not seem to affect the confined performance. Furthermore, in circular sections, the presence of an extra wrap with FRP fibers parallel to the column's axis enhances the concrete strength proportionally to the axial rigidity of the FRP jacket. The recorded strains and the distributions of lateral confining pressures are discussed. Existing design equations are used to assess the lateral confining stresses and the confined concrete strength making use of the measured hoop strains.
The interaction between concrete core expansion and deformation of perimeter ties has been known to have a significant effect on the effective confinement of rectangular reinforced concrete (RC) tied columns. This interaction produces passive confining pressure to the concrete core. Most existing models for determining the response of RC tied columns do not directly account for the influence of flexural stiffness of the ties and the variation of confining stress along the column height. This study presents a procedure for determining the confined compressive strength of RC square columns confined by rectilinear ties with various tie configurations considering directly the influence of flexural flexibility of the ties and the variation of confining stress along the vertical direction. The concept of area compatibility is employed to ensure compatibility of the concrete core and steel hoop in a global sense. The proposed procedure yields satisfactory predictions of confined strengths compared with experimental results, and the influence of tie flexibility, tie configuration and degree of confinement can be well captured.
Steel-confined reinforced concrete (SCRC) columns feature highly complex and invisible mechanisms that make damage evaluation and pattern recognition difficult. In the present article, the prevailing acoustic emission (AE) technique was applied to monitor and evaluate the damage process of steel-confined RC columns in a quasi-static test. AE energy-based indicators, such as index of damage and relax ratio, were proposed to trace the damage progress and quantitatively evaluate the damage state. The fuzzy C-means algorithm successfully discriminated the AE data of different patterns, validity analysis guaranteed cluster accuracy, and principal component analysis simplified the datasets. A detailed statistical investigation on typical AE features was conducted to relate the clustered AE signals to micro mechanisms and the observed damage patterns, and differences between steel-confined and unconfined RC columns were compared and illustrated.
Park, Jai-Woo;Hong, Young-Kyun;Hong, Gi-Soup;Choi, Sung-Mo
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.13
no.5
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pp.61-71
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2009
This paper presents the results of an experiment comparing the current circular CFT columns and circular CFT columns that were additionally confined by carbon fiber sheets (CFS) under axial loading. The main experimental parameters are the numbers of CFS layers and the diameter-to-thickness ratio. 10 specimens were prepared according to the experimental parameter plans, and axial compression tests were conducted. From the tests, the failure procedure, load-axial deformation curve, maximum axial strength, and deformation capacity of the CFT columns and confined CFT columns were compared. The test results showed that the maximum axial strengths of CFT columns additionally confined by CFS are increased higher than those of the current CFT columns, and that local buckling can be delayed due to the confinement effect of CFS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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