The paper presents the results of experimental studies on two strengthening methods for reinforced concrete (RC) slabs. Bending tests on RC slabs have been carried out to investigate the influence of the increased thickness and externally bonded carbon fiber sheets. The interfaces of new and old concrete of increased thickness specimens have been chipped and treated with bonding agent. The conclusions have been reached as followings. (1) The behavior of specimens with chipped interface is good enough to calculate flexural strength of RC slabs for increased depth. (2) The flexural stiffness of increased depth specimen is severely increased and the deformation of RC slabs is controled. (3) The specimens with externally bonded carbon fiber sheets can be assumed to behave monolithically.
The flexural behavior of a strengthened beam that is a reinforced concrete beam with externally bonded carbon fiber sheets, is theoretically and experimentally investigated. A rectangular beam having a width of 20cm depth of 30cm and effective depth of 25cm is chosen. In order to have a variety of beams analyzed, three reinforcement ratios are chosen for the analysis: 1)$\frac{1}{2}$$\rho$$_{max}$, which is the most suitable reinforcement ratio for deflection consideration and the highest reinforcement ratio for practical designing beams as well; 2)$\rho$$_{max}$, which is the lowest reinforcement ratio for design purposes; and 3)the reinforcement ratio halfway from 1) and 2). Carbon fiber sheets with width of 15cm are externally bonded at the bottom fiber of the beam. The effect of the amount of carbon fiber sheets varying from 1 to 4 plies on the flexural capacity of the strengthened beam are also examined. Yield loads, ultimate loads, and flexural rigidities of the strengthened beam from the experimental results are composed with theoretical ones.nes.
Carbon fiber sheet is attractive due to its good tensile strength, resistance to corrosion, and low weight. The strengthening of concrete structures with externally bonded carbon fiber sheets is increasingly being used for repair and rehabilitation of existing structures. However CFS strengthened beams break down under the service loads. As rupture strain is not reached ultimate value, reduction of the tensile strength is recommended. This study evaluate CFS tensile strength reduction factor which is required to analyze bending moment.
The p-version nonlinear finite element model has been developed to analyze the nonlinear behavior of simply supported RC slabs strengthened with carbon fiber reinforced plastic sheets. The shape function is adopted with integral of Legendre polynomials. The compression model of concrete is based on the Kupfer's yield criterion, hardening rule, and crushing condition. The cracking behavior is modeled by a smeared crack model. In this study, the fixed crack approach is adopted as being geometrically fixed in direction once generated. Each steel layer has a uniaxial behavior resisting only the axial force in the bar direction. Identical behavior is assumed fur tension and compression of steel according to the elastic modulus. The carbon fiber reinforced plastic sheets are considered as reinforced layers of equivalent thickness with uniaxial strength and rigidity properties in the present model. It is shown that the proposed model is able to adequately predicte the displacement and ultimate load of nonlinear simply supported RC slabs by a patch with respect to reinforcement ratio, thickness and angles of CFRP sheets.
In general, the problems of strengthening and repairing of deteriorated or damaged reinforced concrete members are usually worked out in situ by externally bounding steel plates using epoxy resins, which has been recognized to be one of effective and convenient methods. But the disadvantages of strengthening/repairing concrete members with externally bonded steel plates include ; (a) deterioration of the bond at the steel-concrete interface caused by the corrosion of steel ; (b) difficulty in manipulating the plate at the construction site ; (c) improper formation of joints, due to the limited delivery lengths of the steel plates ; and etc. Therefore these difficulties eventually have led to the concept of replacing the steel plates by fiber-reinforced composite sheets which are characterized by their light weight, extremely high stiffness, excellent fatigue properties, and outstanding corrosion resistance. In the paper, for the reliability assessment of reinforced concrete beams externally strengthened by carbon fiber plastic(CFRP) laminates, an attempt is made to suggest a limit state model based on the strain compatibility method and the concept of fracture mechanics. And the reliability of the proposed models is evaluated by using the AFOSM method. The load carrying capacity of the deteriorated and/or damaged RC beams is considerably increased. Thus, it may be stated that the post-strengthening of concrete beams with externally bonded CFRP materials may be one of very effective way of increasing the load carrying capacity and stiffeness characteristics of existing structures.
For the Externally bonded FRP systems, flexural design method is studied focusing on the reinforcement layer of the carbon fiber sheets. As the FRP layer is added, strengthening rate increases, but not proportionally as the FRP layer increases. This is reflected in the design formula appropriately by the bond cofficients from the added layers. As the number of FRP layer increases, the stress reinforcement and FRP sheet decreases, and it generally corresponds to the decrease rate of member flexural strength. This phenomenon is appearing indentically in a design formula and experimental result. The rate of $M_{test}$ and $M_n$ is 1.19 and it is estimated as safety factor which is the reduction factor, ${\psi}_f = 0.85$.
Hawileh, Rami A.;Abdalla, Jamal A.;Tanarslan, Murat H.;Naser, Mohannad Z.
Computers and Concrete
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제8권2호
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pp.193-206
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2011
The use of Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) to strengthen reinforced concrete beams under bending and shear has gained rapid growth in recent years. The performance of shear strengthened beams with externally bonded CFRP laminate or fabric strips is raising many concerns when the beam is loaded under cyclic loading. Such concerns warrant experimental, analytical and numerical investigation of such beams under cyclic loading. To date, limited investigations have been carried out to address this concern. This paper presents a numerical investigation by developing a nonlinear finite element (FE) model to study the response of a cantilever reinforced concrete T-beam strengthened in shear with side bonded CFRP fabric strips and subjected to cyclic loading. A detailed 3D nonlinear finite element model that takes into account the orthotropic nature of the polymer's fibers is developed. In order to simulate the bond between the CFRP sheets and concrete, a layer having the material properties of the adhesive epoxy resin is introduced in the model as an interface between the CFRP sheets and concrete surface. Appropriate numerical modeling strategies were used and the response envelope and the load-displacement hysteresis loops of the FE model were compared with the experimental response at all stages of the cyclic loading. It is observed that the responses of the FE beam model are in good agreement with those of the experimental test. A parametric study was conducted using the validated FE model to investigate the effect of spacing between CFRP sheets, number of CFRP layers, and fiber orientation on the overall performance of the T-beam. It is concluded that successful FE modeling provides a practical and economical tool to investigate the behavior of such strengthened beams when subjected to cyclic loading.
Extensive research work has been performed on shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams retrofitted with externally bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) in form of strips. However, most of this research work is experimental and very scarce studies are available on numerical modelling of such beams due to truly challenging nature of modelling concrete shear cracking and interfacial interaction between components of such beams. This paper presents an appropriate model for RC beam and to simulate its cracking without numerical computational difficulties, convergence and solution degradation problems. Modelling of steel and CFRP and their interfacial interaction with concrete are discussed. Finally, commercially available non-linear finite element software ABAQUS is used to validate the developed finite element model with key tests performed on full scale T-beams with and without CFRP retrofitting, taken from previous extensive research work. The modelling parameters for bonding behavior of CFRP with special anchors are also proposed. The results presented in this research work illustrate that appropriate modelling of bond behavior of all the three types of interfaces is important in order to correctly simulate the shear behavior of RC beams strengthened with CFRP.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제7권1호
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pp.35-50
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2013
Rapid and effective repair methods are desired to enable quick reopening of damaged bridges after an earthquake occurs, especially for those bridges that are critical for emergency response and other essential functions. This paper presents results of tests conducted as a proof-of-concept in the effectiveness of a proposed method using externally bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites to rapidly repair severely damaged RC columns with different damage conditions. The experimental work included five large-scale severely damaged square RC columns with the same geometry and material properties but with different damage conditions due to different loading combinations of bending, shear, and torsion in the previous tests. Over a three-day period, each column was repaired and retested under the same loading combination as the corresponding original column. Quickset repair mortar was used to replace the removed loose concrete. Without any treatment to damaged reinforcing bars, longitudinal and transverse CFRP sheets were externally bonded to the prepared surface to restore the column strength. Measured data were analyzed to investigate the performance of the repaired columns compared to the corresponding original column responses. It was concluded that the technique can be successful for severely damaged columns with damage to the concrete and transverse reinforcement. For severely damaged columns with damaged longitudinal reinforcement, the technique was found to be successful if the damaged longitudinal reinforcement is able to provide tensile resistance, or if the damage is located at a section where longitudinal CFRP strength can be developed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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