A comparative experimental study of prestressed continuous steel-concrete composite beams was carried out. Two continuous composite beams were tested, one of which was plain continuous steel-concrete composite beam, while the other was a composite beam prestressed with external tendons. Cracking behavior and the load carrying capacity of the beams were investigated experimentally. Full plasticity was developed in the mid-span section each beam, the maximum moments attained at the internal support sections however were governed by local buckling which was related to the slenderness of composite section. It was found that in hogging moment regions, the ultimate resistance of an externally prestressed composite beam would be governed by either distortional lateral buckling or local buckling, or interactive mode of these two buckling patterns. The results show that exerting prestressing on a continuous composite beam with external tendons will increase the extent of internal force and moment redistribution in the beam. The influences of local and distortional buckling on the behaviors of the composite continuous beams are discussed. The Moment redistribution and the load carrying capacity of the prestressed continuous composite beams are evaluated, and it is found that at the ultimate state, the moment redistribution in the prestrssed continuous composite beams is greater than that in non-prestressed composite beams.
External prestressing has been applied to both new construction and retrofitting of existing reinforced and prestressed concrete structures. Continuous beams are preferred to simply supported beams because of economy, fewer movement joints and possible benefits from moment redistribution. However, this paper argues that continuous prestressed concrete beams with external unbonded tendons demonstrate different full-range behaviour compared to reinforced concrete (RC) beams. Applying the same design approach for RC to external prestressing may lead to design with a lower safety margin. To better understand the behaviour of continuous prestressed concrete beams with unbonded tendons, an experimental investigation is performed in which nine such specimens are tested to failure. The full-range behaviour is investigated with reference to moment-curvature relationship and moment redistribution. The amounts of moment redistribution measured in the experiments are compared with those allowed by BS 8110, EC2 and ACI 318. Design equations are also proposed to estimate the curvature ductility index of unbonded prestressed concrete beams.
The failure load of a continuous prestressed concrete beam depends partially on the amount of redistribution of moment that occurs prior to failure. Results from a parametric study, carried out using a nonlinear finite element computer program, are presented to demonstrate the influences of various factors on redistribution of moment in two-span, continuous bonded prestressed concrete beams. Trends in the data from the numerical studies are compared with those from a theoretical expression for percentage of redistribution, and it is shown that the redistribution of moment occurring in a continuous prestressed concrete beam is a function of number of parameters.
Strengthening of reinforced concrete beams with externally bonded fiber reinforced polymer plates/sheets technique has become widespread in the last two decades. Although a great deal of research has been conducted on simply supported RC beams, a few studies have been carried out on continuous beams strengthened with FRP composites. This paper presents a simple uniaxial nonlinear analytical model that is able to accurately estimate the load carrying capacity and the behaviour of damaged RC continuous beams flexural strengthened with externally bonded prestressed composite plates on both of the upper and lower fibers, taking into account the thermal load. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened beam, i.e., the damaged concrete beam, the FRP plate and the adhesive layer. The flexural analysis results and analytical predictions for the prestressed composite strengthened damaged RC continuous beams were compared and showed very good agreement in terms of the debonding load, yield load, and ultimate load. The use of composite materials increased the ultimate load capacity compared with the non strengthened beams. The major objective of the current model is to help engineers' model FRP strengthened RC continuous beams in a simple manner. Finally, this research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of the FRP-damaged RC hybrid structures.
Lou, Tiejiong;Lopes, Sergio M.R.;Lopes, Adelino V.
Computers and Concrete
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v.15
no.3
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pp.373-389
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2015
The development of a finite element model for the geometric and material nonlinear analysis of bonded prestressed concrete continuous beams is presented. The nonlinear geometric effect is introduced by the coupling of axial and flexural fields. A layered approach is applied so as to consider different material properties across the depth of a cross section. The proposed method of analysis is formulated based on the Euler-Bernoulli beam theory. According to the total Lagrangian description, the constructed stiffness matrix consists of three components, namely, the material stiffness matrix reflecting the nonlinear material effect, the geometric stiffness matrix reflecting the nonlinear geometric effect and the large displacement stiffness matrix reflecting the large displacement effect. The analysis is capable of predicting the nonlinear behaviour of bonded prestressed concrete continuous beams over the entire loading stage up to failure. Some numerical examples are presented to demonstrate the validity and applicability of the proposed model.
This study investigates the flexural behavior of steel-concrete composite beams strengthened with prestressed carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) plates. An innovative mechanical anchorage system was developed. The components of the system can be easily assembled on site before applying a prestressing force, and removed from the structures after strengthening is completed. A total of seven steel-concrete composite specimens including four simply supported beams strengthened at the positive moment region and three continuous beams strengthened at the negative moment region were tested statically until failure. Experimental results showed that the use of prestressed CFRP plates enhanced the flexural capacity and reduced the mid-span deflection of the beams. Furthermore, by prestressing the CFRP laminates, the material was used more efficiently, and the crack resistance of the continuous composite specimens at the central support was significantly improved after strengthening. Overall, the anchorage system proved to be practical and feasible for the strengthening of steel-concrete composite beams. The theoretical analysis of ultimate bearing capacity is reported, and good agreement between analytical values and experimental results is achieved.
This paper presents a closed-form higher-order analysis of interfacial shear stresses in RC continuous beams strengthened with bonded prestressed laminates. For retrofitting reinforced concrete continuous beams is to bond fiber reinforced prestressed composite plates to their tensile faces. An important failure mode of such plated beams is the debonding of the composite plates from the concrete due to high level of stress concentration in the adhesive at the ends of the composite plate. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened beam, where both the shear and normal stresses are assumed to be invariant across the adhesive layer thickness. In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both the RC continuous beams strengthened with bonded prestressed laminates. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. A parametric study has been conducted to investigate the sensitivity of interface behavior to parameters such as laminate stiffness and the thickness of the laminate where all were found to have a marked effect on the magnitude of maximum shear and normal stress in the composite member.
The dynamic characteristics of continuous steel-concrete composite beams considering the effect of interlayer slip were investigated based on Euler Bernoulli's beam theory. A simplified calculation model was presented, in which the Mode Stiffness Matrix (MSM) was developed. The natural frequencies and modes of partial-interaction composite continuous beams can be calculated accurately and easily by the use of MSM. Proceeding from the present method, the natural frequencies of two-span steel-concrete composite continuous beams with different span-ratios (0.53, 0.73, 0.85, 1) and different shear connection stiffnesses on the interface are calculated. The influence pattern of interfacial stiffness on bending vibration frequency was found. With the decrease of shear connection stiffness on the interface, the flexural vibration frequencies decrease obviously. And the influence on low order modes is more obvious while the reduction degree of high order is more sizeable. The real natural frequencies of partial-interaction continuous beams commonly used could have a 20% to 40% reduction compared with the fully-interaction ones. Furthermore, the reduction-ratios of natural frequencies for different span-ratios two-span composite beams with uniform shear connection stiffnesses are totally the same. The span-ratio mainly impacts on the mode shape. Four kinds of shear connection stiffnesses of steel-concrete composite continuous beams are calculated and compared with the experimental data and the FEM results. The calculated results using the proposed method agree well with the experimental and FEM ones on the low order modes which mainly determine the vibration properties.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1994.04a
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pp.7-12
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1994
In structural analysis of prestressed concrete continuous flexural mambers, secondary effects produced by tendon forces should be reasonably estimated. The secondary moment at service load stags is normally used for ultimate required moment caculation in strength design. This concept has to be reviewed when precise analysis is performed considering construction step, time dependent properties of concrete and tendon. An ultimate moment computation proposed, concept and structural behavior. The previously proposed procedure by other researcher and the proposed procedure are compared and reviewed for the currently constructed precast prestressed concrete bridge.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.11a
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pp.313-316
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2006
Externally prestressed structures have many advantages such as easy prestressing control and visible maintenance. Flexural strength of externally prestressed concrete members can be calculated by analysis of internal indeterminacy, which is different from internally prestressed concrete members. However, it needs nonlinear analysis considering member stiffness at strength limit state. Thus most of design codes proposed approximate methods which are empirical, based on test results. To reduce difference between accurate analysis and approximate design methods, many experiments and studies are continued. Since most of the experiments are single span beams. In order to adapt of continuous beam it needs further investigation for the continuous beam. In this study, we carried out externally prestressed 2-span concrete beam test to find out the flexural behavior and strength of externally prestressed concrete members.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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