A nonlinear semi-three-dimensional layered finite element procedure is developed for cracking and failure analysis of reinforced concrete beams and the spandrel beam-column-slab connections of flat plates. The layered element approach takes the elasto-plastic failure behaviour and geometric nonlinearity into consideration. A strain-hardening plasticity concrete model and a smeared steel model are incorporated into the layered element formulation. Further, shear failure, transverse reinforcement, spandrel beams and columns are successfully modelled. The proposed method incorporating the nonlinear constitutive models for concrete and steel is implemented in a finite element program. Test specimens including a series of reinforced concrete beams and beam-column-slab connections of flat plates are analysed. Results confirm the effectiveness and accuracy of the layered procedure in predicting both flexural and shear cracking up to failure.
The use of higher strength materials with the strength methed of design has resulted in more slender member and shallower sections. For this reason, it is necessary to satisfy the requirements of serviceability even though the structural safety is the most important limit state. This paper is only concerned with the control of deflections in the serviceability. In this study, an analytical model is presented to predict the deflections of reinforced concrete beams to given loading and environmental conditions. This model is based on the finite element approach in which a finite element is generally divided into a number of stiffening effect due to cracking, creep and shrinkage. Comparisons are made with available measured deflections reported by others to assess the capability of the layered beam model. The calculated values of instantaneous and long-term deflection show good agreement with experimental results in the range of tension stiffening parameter $\beta$ between 2.5 and 3.0.
In this study, obtaining theoretical stress-strain curves and determining the parameters defining the equivalent rectangular stress block were aimed for 3 and 4-layered rectangular Reinforced Concrete (RC) cross-sections subjected to flexure. For these aims, the analytical stress-strain model proposed by Hognestad was chosen for the concrete grades (20 MPa≤fck≤60 MPa) used in this study. The tensile strength of the concrete was neglected and the thickness of the concrete layers in the compression zone of the concrete cross-section was taken as equal. In addition, while concrete strength was kept constant within each layer, concrete strengths belonging to separate layers were increased from the neutral axis towards the outer face of the compression zone of the concrete cross-section. After the equivalent rectangular stress block parameters were determined by numerical iterations, variations of these parameters depending on concrete strength in layers and layer numbers were obtained. Finally, some analytical equations have been proposed to predict the equivalent stress block parameters for the 3 and 4-layered RC cross-sections and validities of these proposed equations were shown by different metrics in this study.
An analytical method based on the nonlinear layered finite element method is developed to simulate an overall load-deflection behavior of strengthened beams. The developed model distinguishes itself by its capability to trace residual flexural behavior of a beam after the fracture of brittle strengthening materials at peak load. The model. which uses a rather advanced numerical technique for iterative convergence to equilibrium, can be regarded as superior to the two models based on load control and displacement control The model predictions were compared with the experimental results and it was observed that there was good agreement between them.
The use of steel fibers in conventional reinforced concrete increases the strength and ductility under various loading conditions. In order to examine the possibility of the use of these combinations achieving required strength and ductility of a reinforced concrete beam, a refined optimization procedure based on nonlinear layered finite element method and nonlinear programming technique is developed in this study. Six design variables-beam width and depth, fiber volume fraction, amounts of tensile and compressive rebars, and stirrup, and stirrup spacing-are considered. The developed model can be used as a tool in determining the economical use of steel fibers in designing the reinforced steel fibrous concrete beam.
Doh, Jeung-Hwan;Yoo, Tae-Min;Miller, Dane;Guan, Hong;Fragomeni, Sam
Computers and Concrete
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제10권6호
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pp.609-630
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2012
Currently, the design of reinforced concrete deep beams with web openings is carried out using empirical or semi-empirical methods and hence their scope of application is limited. In particular, high strength concrete deep beams with various web opening configurations have been given little treatment. In view of this, a nonlinear layered finite element method (LFEM) for cracking and failure analysis of reinforced concrete structures is used to conduct a parametric study to investigate reinforced concrete deep beams various web opening behaviours. This paper initially presents comparisons of LFEM output with published test results to numerical techniques. The paper then focuses on a parametric study on the shear strengths of deep beams with varying web opening configurations such as opening sizes and locations. The results confirm that the current design methods are inadequate in predicting the maximum shear strength when web openings are present. A series of parametric study offers insight into the maximum shear strength of the deep beams being critically influenced by the size and location of web openings.
비선형 layered 유한요소법과 비선형 프로그래밍 기법에 의하여 주어진 기존의 철근콘크리트 보의 휨강도 및 연성을 근사하게 나타낼 수 있는 강섬유고강 철근콘크리트 보(Reinforced Steel Fibrous Concrete Beam : RSFC Beam)의 인장 및 압축철근량, 강섬유의 혼입률 등을 산정하였다. 개발된 모델을 이용하여 콘트리트의 압축강도 및 철근비가 서로 다른 일반 철근콘크리트 보에 있어서 강섬유보강 콘크리트를 사용할 경우, 기존 철근을대체하는 강섬유의 량과 또한 이로 인한 인장 \ulcorner 압축 철근량의 변화량을 조사하였다. 기존 문헌에 나타난 강섬유보강 콘크리트보의 전간강도식을 이용하여 일반 철근콘크리트보와 비교하여 강섬유보강 철근콘크리트 보에서 증가될 수 있는 스터럽의 간격을 산정하였다.
Various characters of the concrete are greatly improved as the effect of the steel fiber. As the improvement effect of the steel fiber, the increment in flexural strength, shear strength, toughness, and impact strength are remarkable, and tenacious concrete is obtained. This paper presents model which can predict mechanical behavior of the structure according to aspect ratio and volume fraction of steel fiber. Experiments on compressive strength, elastic modulus and tensile strength were performed with self-made cylindrical specimens of variable aspect ratios. This paper presents an analytical study on the behavior of a beam specimen with steel fiber reinforced concrete(SFRC). The effect of the SFRC on the crack pattern, failure mode and the flexural behavior of the structure were investigated. The analysis model based on the nonlinear layered finite element method was successfully able to find the necessary amount of steel fibers, tensile steels and beam section which can best approximate flexural strength and ductility of a given conventionally reinforced concrete beam.
비산물체의 충돌 및 폭발, 테러 등의 극한하중에 의한 구조물의 붕괴는 재산상의 손실뿐만 아니라 다수의 인명피해를 유발한다. 일반적으로 콘크리트는 타 건설재료에 비해 충격 및 폭발 하중에 우수한 저항성능을 지니고 있다고 알려져 있으나, 준-정적(quasi-static)하중과는 달리 높은 변형률 속도를 갖는 극한하중을 고려하지 않고 설계된 기존의 콘크리트 구조물은 예상치 못한 극한하중에 노출될 경우 상당히 위험할 수 있다. 이 연구에서는 콘크리트 보의 충격저항성능을 향상시키기 위해 길이 30 mm의 번들형 양단 hooked type의 강섬유를 전체 부피의 0%에서 1.5%까지 혼입하여 정하중 및 충격하중 휨 실험을 수행하고, 그 성능을 평가하였다. 실험 결과 강섬유의 혼입률을 증가시킬 경우 정하중뿐만 아니라 충격하중에서도 휨강도와 연성 등 휨 저항성능이 크게 향상되는 경향을 보였다. 강섬유를 인장부에 집중적으로 혼입한 층 구조 콘크리트 보의 경우에는 동일한 양의 섬유를 보 전체에 타설한 시편에 비해 휨 저항성능이 향상되는 것으로 나타났다. 또한, 강섬유 보강 콘크리트의 재료적 비선형성을 고려하여 단자유도계(sing degree of freedom, SDOF) 시스템의 해석 알고리즘을 구성하고 실험 결과와 비교하였으며, 비교적 정확하게 최대 처짐을 예측하는 것으로 나타났다.
It is not easy to correctly predict deflections of reinforced concrete beams and one-way slabs due to the variability of parameters involved in the calculation of deflections. Monte Carlo simulation is used to assess the variability of deflections with known statistical data and probability distributions of variables. A deterministic deflection value is obtained using the layered beam model based on the finite element approach in which a finite element is divided into a number of layers over the depth. The model takes into account nonlinear effects such as cracking, creep and shrinkage. Statistical parameters were obtained from the literature. For the assessment of variability of deflections, 12 cases of one-way slabs and T-beams are designed on the basis of ultimate moment capacity. Several results of a probabilistic study are presented to indicate general trends indicated by results and demonstrate the effect of certain design parameters on the variability of deflections. From simulation results, the variability of deflections relies primarily on the ratio of applied moment to cracking moment and the corre-sponding reinforcement ratio.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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