In the present paper a transient three-dimensional thermo-mechanical model for concrete is presented. For given boundary conditions, temperature distribution is calculated by employing a three-dimensional transient thermal finite element analysis. Thermal properties of concrete are assumed to be constant and independent of the stress-strain distribution. In the thermo-mechanical model for concrete the total strain tensor is decomposed into pure mechanical strain, free thermal strain and load induced thermal strain. The mechanical strain is calculated by using temperature dependent microplane model for concrete (O$\check{z}$bolt, et al. 2001). The dependency of the macroscopic concrete properties (Young's modulus, tensile and compressive strengths and fracture energy) on temperature is based on the available experimental database. The stress independent free thermal strain is calculated according to the proposal of Nielsen, et al. (2001). The load induced thermal strain is obtained by employing the biparabolic model, which was recently proposed by Nielsen, et al. (2004). It is assumed that the total load induced thermal strain is irrecoverable, i.e., creep component is neglected. The model is implemented into a three-dimensional FE code. The performance of headed stud anchors exposed to fire was studied. Three-dimensional transient thermal FE analysis was carried out for three embedment depths and for four thermal loading histories. The results of the analysis show that the resistance of anchors can be significantly reduced if they are exposed to fire. The largest reduction of the load capacity was obtained for anchors with relatively small embedment depths. The numerical results agree well with the available experimental evidence.
Park, Joo-Young;Hong, Dong-Seong;Kim, Yeon-Tae;Jeong, Jin-Hoon
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.2
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pp.729-737
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2013
The environmental load of concrete pavement can be categorized by temperature and moisture loads, which mean temperature distribution, and drying shrinkage and creep in the concrete slab. In this study, a method calculating the environmental load essential to mechanistic design of airport concrete pavement was developed. First, target area and design slab thickness were determined. And, the concrete temperature distribution with slab depth was predicted by a pavement temperature prediction program to calculate equivalent linear temperature difference. The concrete drying shrinkage was predicted by improving an existing model to calculate differential shrinkage equivalent linear temperature difference considering regional relative humidity. In addition, the stress relaxation was considered in the drying shrinkage. Eventually, the equivalent linear temperature difference due to temperature and the differential shrinkage equivalent linear temperature difference due to moisture were combined into the total equivalent linear temperature difference as terminal environmental load. The environmental load of eight civilian and two military airports which represent domestic regional weather conditions were calculated and compared by the method developed in this study to show its application.
A general step-by-step simulation for the time-dependent analysis of segmentally-erected prestressed concrete box-girder bridges is presented. A three dimensional finite-element model for the balanced-cantilever construction of segmental bridges, including effects of the load history, material nonlinearity, creep, shrinkage, and aging of concrete and the relaxation of prestressing steel was developed using ABAQUS software. The models included three-dimensional shell elements to model the box-girder walls and Rebar elements representing the prestressing tendons. The step-by-step procedure allows simulating the construction stages, effects of time-dependent deformations of materials and changes in the structural system of the bridges. The structural responses during construction and throughout the service life were traced. A comparison of the developed computer simulation with available experimental results was conducted and good agreement was found. Deflection of the bridge deck, changes in stresses and strains and the redistribution of internal forces were calculated for different examples of bridges, built by the balanced-cantilever method, over thirty-year duration. Significant time-dependent effects on the bridge deflections and redistribution of internal forces and stresses were observed. The ultimate load carrying capacities of the bridges and the behavior before collapse were also determined. It was observed that the ultimate load carrying capacity of such bridges decreases with time as a result of time-dependent effects.
Oehlers, Deric. J.;Nguyen, Ninh T.;Bradford, Mark A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.9
no.5
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pp.505-518
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2000
A major cause of premature debonding of tension face plates is shear peeling (Jones et al. 1988, Swamy et al. 1989, Ziraba et al. 1994, Zhang et al. 1995), that is debonding at the plate ends that is associated with the formation of shear diagonal cracks that are caused by the action of vertical shear forces. It is shown in this paper how side plated beams are less prone to shear peeling than tension face plated beams, as the side plate automatically increases the resistance of the reinforced concrete beam to shear peeling. Tests are used to determine the increase in the shear peeling resistance that the side plates provide, and also the effect of vertical shear forces on the pure flexural peeling strength that was determined in the companion paper. Design rules are then developed to prevent premature debonding of the plate ends due to peeling and they are applied to the strengthening and stiffening of continuous reinforced concrete beams. It is shown how these design rules for side plated beams can be adapted to allow for propped and unpropped construction and the time effects of creep and shrinkage, and how side plates can be used in conjunction with tension face plates.
Hashemi, Seyed Hamid;Maghsoudi, Ali Akbar;Rahgozar, Reza
Structural Engineering and Mechanics
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v.30
no.4
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pp.403-426
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2008
Externally bonding fiber reinforced polymer (FRP) sheets with an epoxy resin is an effective technique for strengthening and repairing reinforced concrete (RC) beams under flexural loads. Their resistance to electro-chemical corrosion, high strength-to-weight ratio, larger creep strain, fatigue resistance, and nonmagnetic and nonmetallic properties make carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites a viable alternative to bonding of steel plates in repair and rehabilitation of RC structures. The objective of this investigation is to study the effectiveness of CFRP sheets on ductility and flexural strength of reinforced high strength concrete (HSC) beams. This objective is achieved by conducting the following tasks: (1) flexural four-point testing of reinforced HSC beams strengthened with different amounts of cross-ply of CFRP sheets with different amount of tensile reinforcement up to failure; (2) calculating the effect of different layouts of CFRP sheets on the flexural strength; (3) Evaluating the failure modes; (4) developing an analytical procedure based on compatibility of deformations and equilibrium of forces to calculate the flexural strength of reinforced HSC beams strengthened with CFRP composites; and (5) comparing the analytical calculations with experimental results.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.12
no.4
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pp.33-47
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1992
A study for the material and geometric nonlinear analysis of segmentally erected cable-supported prestressed concrete plane frames including the time-dependent effects due to load history, creep, shrinkage, aging of concrete, and relaxation of prestressing steel and cable is presented. Updated Lagrangian formulation is used to account for the nonlinear behavior of the structure. For the time-dependent analysis. the time domain is divided into a discrete number of intervals, and a step-forward integration is performed as the solution progresses in the time domain. At each time step. a nonlinear finite element analysis is performed in the space domain. Segmental erection methods are implemented by providing the capability to change the configuration of the structure at any time step of the solution. The computer program CFRAME is developed and a series of numerical examples are presented to study the validity of the program.
Experimental study was performed to evaluate the long-term behavior of CFRP (carbon fiber reinforced polymer) strips under sustained loads including prestressing force in strengthening RC members with post-tensioned CFRP strips. Two types of CFRP strip such as unidirectional CFRP strip and hybrid CFRP strip which is composed of carbon fiber and steel plate were considered. Also two types of loading scheme were included in this study. Direct sustained loading test had been carried out to estimate the creep deformation and relaxation of CFRP strips including slip deformation at both mechanical anchorages for over 700 days. Also, flexural sustained loading test had been conducted to estimate the initial prestress losses on clamping the CFRP strips at jacking anchorages for over 90 days. From the sustained loading tests, it was observed that stress losses of unidirectional CFRP strips due to the creep deformation and relaxation of material itself and slip deformation at mechanical anchorage were ignorable. On the other hand, significant stress losses caused by the yielding of steel embedded in CFRP strips were found in case of hybrid CFRP strips due to the initial jacking force over steel yielding stress. Also, initial prestress losses during setting of CFRP strips on mechanical anchorage were about 10% of intial jacking force, which must be considered in the design.
Kim, Sung-Hu;Kim, Kwang-Soo;Han, Kyoung-Bong;Song, Seul-Ki;Park, Sun-Kyu
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.20
no.6
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pp.765-772
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2008
For RC structures, long-term deformation occurs due to the inherent characteristics, which are creep and shrinkage. In terms of serviceability, it is important to limit deflection caused by the deformation to the allowable deflection. In the recent years, various repair and strengthening methods have been used to improve performance of the existing RC structures. One of the typical methods is FRP externally bonded method (EBR). Fiber reinforced polymer (FRP) has been used worldwide as repair and strengthening materials due to its superior properties. Besides, it has to offer improved strengthening performance not only under instantaneous load but sustained load. Therefore, accurate prediction method of deflection for the RC members externally bonded with FRP under sustained load is required. In this paper, three beams were fabricated. Two beams were externally strengthened with one of CFRP plate and GFRP plate respectively. Total three beams were superimposed under sustained load of 25 kN. During 470 days, deflections at midspan were obtained. Moreover, creep coefficients and shrinkage strains were calculated by using ACI-209 code and CEB-FIP code. In order to predict the deflection of the beams, EMM, AEMM, Branson's method and Mayer's method were used. Through the experiment, it was found that the specimen with CFRP plate has the most flexural capacity and Mayer's method is the most precise method to predict total long-term deflections.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.4D
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pp.491-497
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2009
This paper presents the results of accelerated pavement tests (APT) that simulate permanent deformation (rutting) of asphalt concrete pavements under different temperatures and loading courses. Also, finite element (FE) analysis has been conducted to predict the test results. Test section for APT is the same as one of test sections at Korea Expressway Corporation test road and is subjected to a constant moving dual tire wheel load of APT at three different temperatures: 30, 40, $50^{\circ}C$. The moving wheel is applied at different loading courses within a 75cm wide wheel path to account for traffic wandering. Also, the effect of wandering on permanent deformation development is investigated numerically with three wandering schemes. In this study, ABAQUS is adopted to model APT pavement section with plain stain elements and creep strain rate model is used to take into account viscoplastic stain of asphalt concrete mixtures, and elastic layer properties are back-calculated from FWD measurements. Plus, the effect of boundary condition and subgrade on FE permanent deformation predictions is investigated. A full FE model that accounted for subgrade provided more realistic rut depth predictions, indicating subgrade has contributed to surface rutting.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.2
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pp.43-48
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2021
Precast concrete can be used to reduce construction period and enhance construct ability. However structural problems could be occurred due to the wrong application of boundary condition and misunderstanding of structural behavior in the process of segmentation of original structure system. I experienced a serious deflections and cracks due to the increase of bending moment and creep after the construction of precast concrete slab, and we learned that this is from the misunderstanding of support conditions and structure behaviors of precast slab panel. Two support columns under the precast slab are inserted to reduce the bending moment, and the camber according to jacking force should be estimated for the structural safety during the reinforcing work. A proper support condition and the flexural stiffness of precast concrete slab were applied to check the deflection and crack for existing structure by inverse analysis, and we can estimate the camber according to jacking force of the precast concrete slab, and suggest a method to make safe structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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