In this paper, the effect of different steel bar configurations on the quasi-static punching and impact response of concrete slabs was studied. A total of forty RC square slab specimens were cast in two groups of concrete strengths of 40 and 63 MPa. In each group of twenty specimens, ten specimens were reinforced at the back face (singly reinforced), and the remaining specimens were reinforced on both faces of the slab (doubly reinforced). Two rebar spacing of 25 and 100 mm, with constant reinforcement ratio and effective depth, were used in both singly and doubly reinforced slab specimens. The specimens were tested against the normal impact of cylindrical projectiles of hemispherical nose shape. Slabs were also quasi-statically tested in punching using the same projectile, which was employed for the impact testing. The experimental response illustrates that 25 mm spaced rebars are effective in (i) decreasing the local damage and overall penetration depth, (ii) increasing the absorption of impact energy, and (iii) enhancing the ballistic limit of RC slabs. The ballistic limit was predicted using the quasi-static punching test results of slab specimens showing a strong correlation between the dynamic perforation energy and the energy required for quasi-static perforation of slabs.
Hossain, Khandaker M.A.;Lachemi, Mohamed;Easa, Said M.
Computers and Concrete
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제3권6호
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pp.439-454
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2006
This paper develops an artificial neural network (ANN) model for uniformly loaded restrained reinforced concrete (RC) slabs incorporating membrane action. The development of membrane action in RC slabs restrained against lateral displacements at the edges in buildings and bridge structures significantly increases their load carrying capacity. The benefits of compressive membrane action are usually not taken into account in currently available design methods based on yield-line theory. By extending the existing knowledge of compressive membrane action, it is possible to design slabs in building and bridge decks economically with less than normal reinforcement. The processes involved in the development of ANN model such as the creation of a database of test results from previous research studies, the selection of architecture of the network from extensive trial and error procedure, and the training and performance validation of the model are presented. The ANN model was found to predict accurately the ultimate strength of fully restrained RC slabs. The model also was able to incorporate strength enhancement of RC slabs due to membrane action as confirmed from a comparative study of experimental and yield line-based predictions. Practical applications of the developed ANN model in the design process of RC slabs are also highlighted.
The reinforced concrete slab is one of main structure members in the construction industry sector. However, most of researches regarding to RC slabs have been focused on two-dimensional Mindlin-type plate element on the basis of laminated plate theory since three-dimensional solid element has a lot of difficulties in finite element formulation and costs in CPU time. In reality, the RC slabs are subjected to dynamic loads like a heavy traffic vehicle load, and thus should insure the safety from the static load as well as dynamic load. Once we can estimate the dynamic behaviour of RC slabs exactly, it will be very helpful for design of it. In this study, the 20-node solid element has been used to analyze the dynamic characteristics of RC slabs with clamped edges. The elasto-visco plastic model for material non-linearity and the smeared crack model have been adopted in the finite element formulation. The applicability of the proposed finite element has been tested for dynamic behaviour of RC slabs with respect to characteristics of concrete materials in terms of cracking stress, crushing strain, fracture energy and Poisson's ratio. The effect on dynamic behaviour is dependent on not crushing strain but cracking stress, fracture energy and Poisson's ratio. In addition to this, it is shown the damping phenomenon of RC slabs has been identified from the numerical results by using Rayleigh damping.
철근부식은 철근콘크리트 구조물의 내구수명을 현저히 저하시키며, 유지보수 비용의 증가를 가져온다. 이와 같은 문제의 해결을 위해 피복두께의 증가, 고성능콘크리트의 사용, 에폭시 코팅 철근의 사용 등이 연구되었으나 완전한 해결책은 되지 못하고 있다. 최근 철근부식 문제를 근본적으로 해결하기 위한 새로운 대안으로 대두되고 있는 것이 FRP (fiber reinforced polymer) 복합재료를 이용한 철근대체제의 사용이다. 그러나 취성적 거동과 낮은 탄성계수로 인하여 철근콘크리트와는 다른 거동을 보이며 이에 대한 많은 연구가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 FRP 보강근을 사용한 일방향 슬래브의 구조 실험을 통하여 철근콘크리트 슬래브와 거동 특성을 비교하였다. 균열 및 파괴모드, 처짐, 연성 등의 평가를 통하여 철근 대체제로서의 가능성을 평가하였으며, 해외의 제안식들을 사용하여 처짐 및 균열예측에 대한 식의 적정성을 평가하였다.
In designing of slabs, a prediction of the punching shear capacity is one of important concerns. In this study, an equation was proposed to predict the punching shear strength of reinforced concrete slabs. The proposed equation depends on concrete compression strength, steel ratio, effective depth and slab radial length. The good correlation exists between the predicted punching shear strength and the measured.
Novel steel fibre reinforced ultra-lightweight cement composite (ULCC) with compressive strength of 87.3MPa and density of $1649kg/m^3$ was developed for the flat slabs in civil buildings. This paper investigated structural behaviours of ULCC flat slabs according to a 4-specimen test program under concentrated loading and some reported test results. The investigated governing parameters on the structural behaviours of the ULCC slabs include volume fraction of the steel fibre and the patch loading area. The test results revealed that ULCC flat slabs with and without flexure reinforcement failed in different failure mode, and an increase in volume fraction of the steel fibre and loading area led to an increase in flexural resistance for the ULCC slabs without flexural reinforcement. Based on the experiment results, the analytical models were developed and also validated. The validations showed that the analytical models developed in this paper could predict the ultimate strength of the ULCC flat slabs with and without flexure reinforcement reasonably well.
The main aim of the current research is to investigate the flexural behavior of the reinforced concrete (RC) slabs strengthened with strain hardening cementitious composites (SHCC) experimentally and numerically. Seven RC slabs were prepared and tested under four-points loading test. One un-strengthened slab considered as control specimen while six RC slabs were strengthened with reinforced SHCC layers. The SHCC layers had different reinforcement ratios and different thicknesses. The results showed that the proposed strengthening techniques significantly increased the ultimate failure load and the ductility index up to 25% and 22%, respectively, compared to the control RC slab. Moreover, a three dimensional (3D) finite element model was proposed to analyze the strengthened RC slabs. It was found that the results of the proposed numerical model well agreed with the experimental responses. The validated numerical model used to study many parameters of the SHCC layer such as the reinforcement ratios and the different thicknesses. In addition, steel connectors were suggested to adjoin the concrete/SHCC interface to enhance the flexural performance of the strengthened RC slabs. It was noticed that using the SHCC layer with thickness over 40 mm changed the failure mode from the concrete cover separation to the SHCC layer debonding. Also, the steel connectors prevented the debonding failure pattern and enhanced both the ultimate failure load and the ductility index. Furthermore, a theoretical equation was proposed to predict the ultimate load of the tested RC slabs. The theoretical and experimental ultimate loads are seen to be in fairly good agreement.
Shehab, Hamdy K.;Eisa, Ahmed S.;El-Awady, Kareem A.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제11권2호
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pp.327-341
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2017
Openings in slabs are usually required for many different applications such as aeriation ducts and air conditioning. Opening in concrete slabs due to cutouts significantly decrease the member stiffness. There are different techniques to strengthen slabs with opening cutouts. This study presents experimental and numerical investigations on the use of Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) as strengthening material to strengthen and restore the load carrying capacity of R.C. slabs after having cutout in the hogging moment region. The experimental program consisted of testing five (oneway spanning R.C. flat slabs) with overhang. All slabs were prismatic, rectangular in cross-section and nominally 2000 mm long, 1000 mm width, and 100 mm thickness with a clear span (distance between supports) of 1200 mm and the overhang length is 700 mm. All slabs were loaded up to 30 kN (45% of ultimate load for reference slab, before yielding of the longitudinal reinforcement), then the load was kept constant during cutting concrete and steel bars (producing cut out). After that operation, slabs were loaded till failure. An analytical study using finite element analysis (FEA) is performed using the commercial software ANSYS. The FEA has been validated and calibrated using the experimental results. The FE model was found to be in a good agreement with the experimental results. The investigated key parameters were slab aspect ratio for the opening ratios of [1:1, 2:1], CFRP layers and the laminates widths, positions for cutouts and the CFRP configurations around cutouts.
The current study examines the experimental and numerical performance of reinforced concrete (RC) channel slabs made of ferrocement that have been reinforced with fiber glass, expanded steel mesh, and welded steel mesh. As part of the testing program, ten RC channel slabs with dimensions of 500 mm×40 mm×2500 mm were loaded flexibly. The three main factors that can be altered are the mesh layer count, the type of reinforcing materials, and the reinforcement volume fraction. The main objective is to assess the effects of fortifying composite RC channel slabs with novel inventive materials. ANSYS-16.0 Software was used to simulate the behavior of composite channel slabs using nonlinear finite element analysis (NLFEA). It also shows how parametric analysis can be used to pinpoint variables like variations in slab dimensions that could significantly affect the mechanical behavior of the model. The obtained experimental and numerical results showed that finite element (FE) simulations had a tolerable degree of accuracy in estimating experimental values. It is crucial to show that specimens strengthened with fiber glass meshes gained about 12% lessstrength than specimens strengthened with expanded or welded steel meshes. In addition, RC channel slab reinforcement made of welded steel meshes has a 24% higher strength than expanded steel meshes. Tested under flexural loads, ferrocement specimens outperform conventional reinforced concrete specimens in terms of ultimate loads and energy absorption.
This study investigates the bending behavior of a composite concrete slab roof with different methods of externally strengthing using steel plates and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strips. First, the concrete slab model which was reinforced with CFRP strips on the bottom surface of it is validated using experimental data, and then, using numerical modeling, 7 different models of square-shaped composite slab roofs are developed in ABAQUS software using the finite element modeling. Developed models include steel rebar reinforced concrete slab with variable thickness of CFRP and steel plates. Considering the control sample which has no external reinforcement, a set of 8 different reinforcement states has been investigated. Each of these 8 states is examined with 6 different uncertainties in terms of the properties of the materials in the construction of concrete slabs, which make 48 numerical models. In all models loading process is continued until complete failure occurs. The results from numerical investigations showed using the steel plates as an executive method for strengthening, the bending capacity of reinforced concrete slabs is increased in the ultimate bearing capacity of the slab by about 1.69 to 2.48 times. Also using CFRP strips, the increases in ultimate bearing capacity of the slab were about 1.61 to 2.36 times in different models with different material uncertainties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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