In this study, a simple indeterminate strut-tie model which reflects complicated characteristics of the ultimate structural behavior of continuous reinforced concrete deep beams was proposed. In addition, the load distribution ratio, defined as the fraction of applied load transferred by a vertical tie of truss load transfer mechanism, was proposed to help structural designers perform the analysis and design of continuous reinforced concrete deep beams by using the strut-tie model approaches of current design codes. In the determination of the load distribution ratio, a concept of balanced shear reinforcement ratio requiring a simultaneous failure of inclined concrete strut and vertical steel tie was introduced to ensure the ductile shear failure of reinforced concrete deep beams, and the primary design variables including the shear span-to-effective depth ratio, flexural reinforcement ratio, and compressive strength of concrete were reflected upon. To verify the appropriateness of the present study, the ultimate strength of 58 continuous reinforced concrete deep beams tested to shear failure was evaluated by the ACI 318M-11's strut-tie model approach associated with the presented indeterminate strut-tie model and load distribution ratio. The ultimate strength of the continuous deep beams was also estimated by the experimental shear equations, conventional design codes that were based on experimental and theoretical shear strength models, and current strut-tie model design codes. The validity of the proposed strut-tie model and load distribution ratio was examined through the comparison of the strength analysis results classified according to the primary design variables. The present study associated with the indeterminate strut-tie model and load distribution ratio evaluated the ultimate strength of the continuous deep beams fairly well compared with those by other approaches. In addition, the present approach reflected the effects of the primary design variables on the ultimate strength of the continuous deep beams consistently and reasonably. The present study may provide an opportunity to help structural designers conduct the rational and practical strut-tie model design of continuous deep beams.
The structural behavior of continuous reinforced concrete deep beams is mainly controlled by the mechanical relationships associated with the shear span-to-effective depth ratio, flexural reinforcement ratio, load and support conditions, and material properties. In this study, a simple indeterminate strut-tie model which reflects characteristics of the complicated structural behavior of the continuous deep beams is presented. In addition, the reaction and load distribution ratios defined as the fraction of load carried by an exterior support of continuous deep beam and the fraction of load transferred by a vertical truss mechanism, respectively, are proposed to help structural designers for the analysis and design of continuous reinforced concrete deep beams by using the strut-tie model approaches of current design codes. In the determination of the load distribution ratio, a concept of balanced shear reinforcement ratio requiring a simultaneous failure of inclined concrete strut and vertical steel tie is introduced to ensure a ductile shear failure of reinforced concrete deep beams, and the primary design variables including the shear span-to-effective depth ratio, flexural reinforcement ratio, and concrete compressive strength are implemented after thorough parametric numerical analyses. In the companion paper, the validity of the presented model and load distribution ratio was examined by applying them in the evaluation of the ultimate strength of multiple continuous reinforced concrete deep beams, which were tested to failure.
In this study, ultimate strengths of 51 continuous reinforced concrete deep beams were evaluated by the ACI 318M-08's strut-tie model approach implemented with the presented indeterminate strut-tie model and load distribution ratio of the companion paper. The ultimate strengths of the continuous deep beams were also estimated by the shear equations derived based on experimental results, conventional design codes based on experimental and theoretical shear strength models, and current strut-tie model design codes. The validity of the presented strut-tie model and load distribution ratio was examined through the comparison of the strength analysis results classified according to the primary design variables of shear span-to-effective depth ratio, flexural reinforcement ratio, and concrete compressive strength. The present study results of ultimate strengths obtained using the indeterminate strut-tie model and load distribution ratio of the continuous deep beams agree fairly well with those obtained using other approaches. In addition, the present approach reflected the effect of the primary design variables on the ultimate strengths of the continuous deep beams consistently and accurately. Therefore, the present study will help structural designers to conduct rational and practical strut-tie model designs of continuous deep beams.
Continuous deep girders which transmit the gravity load from the upper wall to the lower columns have frequently long end shear spans between the boundary of the upper wall and the face of the lower column. This paper presents the results of tests and analyses performed on three 1:2.5 scale specimens with long end shear spans, (the ratios of shear-span/total depth: 1.8 < a/h < 2.5): one designed by the conventional approach using the beam theory and two by the strut-and-tie approach. The conclusions are as follows: (1) the yielding strength of the continuous RC deep girders is controlled by the tensile yielding of the bottom longitudinal reinforcements, being much larger than the nominal strength predicted by using the section analysis of the girder section only or using the strut-and-tie model based on elastic-analysis stress distribution. (2) The ultimate strengths are 22% to 26% larger than the yielding strength. This additional strength derives from the strain hardening of yielded reinforcements and the shear resistance due to continuity with the adjacent span. (3) The pattern of shear force flow and failure mode in shear zone varies depending on the amount of vertical shear reinforcement. And (4) it is necessary to take into account the existence of the upper wall in the analysis and design of the deep continuous transfer girders that support the upper wall with a long end shear span.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.6
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pp.699-708
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2007
Reinforced concrete deep beams are general structural members used as transfer-girder, pile cap, foundation wall and so on. They have a complex stess formation. Generally, failure mechanisms differ from either continuous deep beams or simple supported deep beams. In continuous deep beams, a negative moment is occurred over intermediate support and the location of maximum moment coincide with high shear force. Therefore, failure usually occurs at this region. While on the other hand, in simple supported deep beam, the region of high shear coincides with the region of low moment. The web opening of deep beams for accepting a facility makes shear behaviors of deep beams more complex and gives rise to an expansion of crack around the opening and a decline of shear capacity of deep beams. Therefore, Engineers must determine a delicate reinforcement method to control a crack and increase a shear capacity. The purpose of this report is a computation of an effective reinforcement method through non-linear finite element method by means of adopting various reinforcement method as variables and a computation of shear capacity formula taking an effectiveness of reinforcement into consideration.
Boumaaza, M.;Bezazi, A.;Bouchelaghem, H.;Benzennache, N.;Amziane, S.;Scarpa, F.
Structural Engineering and Mechanics
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v.63
no.5
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pp.575-583
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2017
The study covers the behavior of reinforced concrete deep beams loaded under 4-point bending, failed by shear and repaired using bonding glass fiber reinforced plastics fabrics (GFRP) patches. Two rehabilitation methods have been used to highlight the influence of the composite on the ultimate strength of the beams and their failure modes. In the first series of trials the work has been focused on the reinforcement/rehabilitation of the beam by following the continuous configuration of the FRP fabric. The patch with a U-shape did not provide satisfactory results because this reinforcement strategy does not allow to increase the ultimate strength or to avoid the abrupt shear failure mode. A second methodology of rehabilitation/reinforcement has been developed in the form of SCR (Strips of Critical Region), in which the composite materials reinforcements are positioned to band the inclined cracks (shear) caused by the shear force. The results obtained by using this method lead a superior out come in terms of ultimate strength and change of the failure mode from abrupt shearing to ductile bending.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.4
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pp.217-224
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2020
In this study, a framework for optimizing the opening in an outrigger wall is proposed. To solve a constrained bounded optimization problem, an in-house finite element program and SQP algorithm in Python SciPy library are utilized. The openings of the outrigger wall are located according to the strut-tie behavior of the outrigger wall deep beam. A linear interpolation method is used to obtain differentiable continuous functions required for optimization, whereas a database is used for the efficiency of the optimization program. By comparing the result of the two-variable optimization through the moving path of the search algorithm, it is confirmed that the algorithm efficiently determines the optimized result. When the size of each opening is set to individual variables rather than the same width of all openings, the value of the objective function is minimized to obtain better optimization results. It was confirmed that the optimization time can be effectively reduced when using the database in the optimization process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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