New typology of failure mechanisms for uniform compression fields are presented based on the classical theory of plasticity, in particular th normality rule, and the limit theorem. The concrete is assumed as a rigid-perfectly plastic material obeying the modified Coulomb failure criteria with zero tension cut-off. The failure mechanisms are capable of explaining flexural types of crushing failure in uniaxial uniform compression stress fields which are called struts in truss models. The failure mechanisms consist of sliding failure along straight failure lines or hyperbolic failure curves and rigid body rotation. The failure mechanisms involving straight failure lines are explained by constant strain expansion in the first principal direction and rigid body rotation motion. The failure mechanisms presented are applied to the explanation of bond failure of bar combined with concrete crushing failure and flexural crushing failure of concrete.
This study proposes flexural failure design criteria of continuous slabs enhanced by a hybrid system of fiber reinforced polymer (FRP) and ultra high performance concrete (UHPC). The proposed hybrid retrofit system is designed to be placed at the top surface of the slabs for flexural strengthening of the sections in both positive and negative moment zones. The enhancing mechanisms of the proposed system for both positive and negative moment regions are presented. The neutral axis of the enhanced sections in positive moment zone at flexural failure is enforced to be in UHPC overlay for preventing the compression in FRP. From this condition, a relationship between design parameters of FRP and UHPC is established. Although the capacity of the proposed retrofit system to enhance flexural strength and ductility is confirmed through experiments of one-way RC slabs having two continuous spans, the retrofitted slabs failed in shear. To prevent this shear failure, a design criteria of flexural failure is proposed.
The purpose of this study is to propose new hysteretic characteristics of medium- to low-rise RC structures controlled by both shear and flexure. Through previous study, the dual lateral force-resisting system composed of shear and flexural failure members has a new failure mechanism that cooperates to enhance the flexural capacity of the flexural failure member even after the failure of the shear member, and the existing theoretical equation significantly underestimates the ultimate strength. In this study, the residual lateral strength mechanism of the dual lateral force-resisting system was analyzed, and, as a result, an equation for estimating the residual flexural strength of each shear-failure member was proposed. The residual flexural strength of each shear-failure member was verified in comparison with the structural testing results obtained in previous study, and the proposed residual flexural strength equation for shear-failure members was tested for reliability using FEA, and its applicable range was also determined. In addition, restoring-force characteristics for evaluating the seismic performance of the dual lateral force-resisting system (nonlinear dynamic analysis), reflecting the proposed residual flexural strength equation, were proposed. Finally, the validity of the restoring-force characteristics of RC buildings equipped with the dual lateral force-resisting system proposed in the present study was verified by performing pseudo-dynamic testing and nonlinear dynamic analysis based on the proposed restoring-force characteristics. Based on this comparative analysis, the applicability of the proposed restoring-force characteristics was verified.
The focus of this research effort was characterization of the flexural and tensile properties of a specific ultra-high-strength, fiber-reinforced concrete material. The material exhibited a mean unconfined compressive strength of approximately 140 MPa and was reinforced with short, randomly distributed alkali resistant glass fibers. As a part of the study, coupled experimental, analytical and numerical investigations were performed. Flexural and direct tension tests were first conducted to experimentally characterize material behavior. Following experimentation, a micromechanically-based analytical model was utilized to calculate the material's tensile failure response, which was compared to the experimental results. Lastly, to investigate the relationship between the tensile failure and flexural response, a numerical analysis of the flexural experiments was performed utilizing the experimentally developed tensile failure function. Results of the experimental, analytical and numerical investigations are presented herein.
Lei Li;Wei Huang;Zhengyi Kong;Li Zhang;Youde Wang;Quang-Viet Vu
Steel and Composite Structures
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제52권4호
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pp.391-403
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2024
The flexural behavior of composite sandwich wall panels with different thicknesses, numbers of holes, and hole forms, and arrangement form of longitudinal steel bar (uniform type and concealed-beam type) are investigated. A total of twelve composite sandwich wall panels are prepared, utilizing modified polystyrene particles mixed with foam concrete for the flexural performance test. The failure pattern of the composite sandwich wall panels is influenced by the extruded polystyrene panel (XPS) panel thickness and the reinforcement ratio in combination, resulting in both flexural and shear failure modes. Increasing the XPS panel thickness causes the specimens to transition from flexural failure to shear failure. An increase in the reinforcement ratio leads to the transition from flexural failure to shear failure. The hole form on the XPS panel and the steel bar arrangement form affect the loading behavior of the specimens. Plum-arrangement hole form specimens exhibit lower steel bar strain and deflection compared to linear-arrangement hole form specimens. Additionally, specimens with concealed beam-type steel bar display lower steel bar strain and deflection than uniform-type steel bar specimens. However, the hole form and steel bar arrangement form have a limited impact on the ultimate load. Theoretical formulas for cracking load are provided for both fully composite and non-composite states. When compared to the experimental values, it is observed that the cracking load of the specimens with XPS panels closely matches the calculations for the non-composite state. An accurate prediction model for the ultimate load of fully composite wall panels is developed. These findings offer valuable insights into the behavior of composite sandwich wall panels and provide a basis for predicting their performance under various design factors and conditions.
For the replacement of deteriorated concrete decks or wider-span slab, composite slab could be very attactive due to higher stiffness and strength. Based on the previous research, a modified I-beam composite hollow slab was suggested. In order to investigate the static flexural behavior of the proposed composite slab and to suggest its flexural design method, experiments were performed. Judging from the tests, a composite slab with I-beam having a semi-circle hole showed better structural performance. The effect of web details on the flexural stiffness was negligible. Flexural stiffness, ultimate strength, and ductility of the composite slabs were significantly greater than the RC slab due to composite action. While the failure of the RC slab was punching shear failure, the composite hollow slab showed flexural cracking and failure by yielding of the I-beams and crushing of concrete. Therefore, the current one-way design concept is appropriate for the design of I-beam composite hollow slab.
This paper presents an experimental study on flexural behavior of structural member enlarged with epoxy mortar system. The main test variable is flexural tensile strength. A series of 4 test beams was tested to shoe the corresponding effect of each variables on maximum load capacity, load-deflection and moment-curvature relationship, interface behavior and failure mode. The results show that the flexural tensile strength of retrofitted materials have no relation load-deflection, but to load-strain, and failure mode.
이 연구는 교량이나 주차장 건물 등에 적용이 가능한 GFRP 보강 철근 폴리머 콘크리트 T형 보의 휨 특성에 관한 연구로서 GFRP 보강 수준에 따른 압축파괴(compression failure: CF), 인장파괴(tension failure: TF) 및 GFRP 보강재의 파괴(fiber sheet failure: FF) 등 파괴모드의 판단과 결정방법을 제시하고, 파괴모드별 설계휨강도 산정식을 제시하였다. GFRP 보강 철근콘크리트 보에서는 FF, TF, CF 등 3가지 파괴모드 중에서 철근항복 ${\rightarrow}$ GFRP 파단 ${\rightarrow}$ 압축측 콘크리트 파괴의 순으로 진행되는 FF 파괴모드가 가장 이상적이다. FF 파괴모드의 경우 압축측 폴리머 콘크리트가 극한변형률(${\varepsilon}_{cu}$)에 도달하기 전에 GFRP가 먼저 파단되므로 콘크리트의 극한상태를 기반으로 하는 기존의 등가직사각형 응력블럭의 개념을 적용할 수 없다. 따라서 이 연구에서는 폴리머 콘크리트의 특성에 부합되는 이상화된 폴리머 콘크리트의 압축응력-변형률 곡선을 제안하고, 폴리머 콘크리트의 변형률을 기반으로 하여 응력블럭 매개변수 ${\alpha}$, ${\beta}$를 도출하였다. 또한 T형 보의 형상비에 따른의 압축응력 분포 및 설계휨강도 특성을 규명하고 적정한 형상비를 2.5로 제시하였으며, GFRP 보강재의 두께 및 높이에 따른 설계휨강도 산정식을 제시하고 그 식의 적정성을 실험과 이론해석에 의해 입증하였다.
This paper presents the analytical results on the seismic retrofit of circular bridge columns with poor lap-splice details using FRP jacket. The as-built column suffered brittle failure due to the deterioration of lap-spliced longitudinal reinforcement without developing its flexural capacity or ductility. The retrofitted columns using FRP jacket showed significant improvement in seismic performance due to FRP's confinement effect. FRP's confinement effect is predicted by the classical elasticity solution for the laminated circular tube manufactural with several layers, and induces the flexural failure instead of bondslip failure.
In this study, a numerical analysis that can effectively predict the effect of strengthening of cracked flexural members is developed using axial deformation link elements. Concrete and interface between concrete and repair material are considered as quasi-brittle material. Reinforcing bars and reinforcing steel plates are assumed to perform as elasto-plastic materials. Unloading behavior of axial deformation link element is implemented. In the developed numerical model, a flexural member is intentionally cracked by pre-loading, then, the cracked member is repaired using extra elements, and reloaded. The results from analysis of repaired flexural members agrees well with available experiment results. Also, it was shown that the effect of strengthening and the change of failure mode with respect to the time for strengthening and thickness of repair materials. Based on the results, it was determined that the developed numerical model has a good agreement for determining failure modes and effect of strengthening in cracked flexural members. By utilizing the developed numerical analysis, the time and dimension of external strengthening in an existing cracked flexural member with predition of failure mechanism can be determined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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