In this study, a numerical model for the simulation of reinforced concrete columns subject to cyclic loading is presented. The model consists of three separate models representing concrete, reinforcing steel bars and bond-slip between a reinforcing bar and ambient concrete. The concrete model is represented by the plane stress plastic-damage model and quadrilateral finite elements. The nonlinear steel bar model embedded in truss elements is used for longitudinal and transverse reinforcing bars. Bond-slip mechanism between a reinforcing bar and ambient concrete is discretized using connection elements in which the hysteretic bond-slip link model defines the bond stress and slip displacement relation. The three models are connected in finite element mesh to represent a reinforced concrete structure. From the numerical simulation, it is shown that the proposed model effectively and realistically represents the overall cyclic behavior of a reinforced concrete column. The present plastic-damage concrete model is observed to work appropriately with the steel bar and bond-slip link models in representing the complicated localization behavior.
Epoxy-coated reinforcing bars are widely used to protect the corrosion of the reinforcing bars in the RC elements under their in-service environments and external loads. In most field surveys, it was reported that the corrosion resistance of the epoxy-coated reinforcing bars is typically better than the uncoated bars. However, from the experimental tests conducted in the labs, it was reported that, under the same loads, the RC elements with epoxy-coated reinforcing bars had wider cracks than the elements reinforced with the ordinary bars. Although this conclusion may be true considering the bond reduction of the reinforcing bar due to the epoxy coating, the maximum service loads used in the experimental research may be a main reason. To answer these two phenomena, service performance of 15 RC beam specimens with uncoated and epoxy-coated reinforcements under different fatigue loads was experimentally studied. Influences of different coating thicknesses of the reinforcing bars, the fatigue load range and load upper limit as well as fatigue load cycles on the mechanical performance of RC test specimens are discussed. It is concluded that, for the test specimens subjected to the comparatively lower load range and load upper limit, adverse effect on the service performance of test specimens with thicker epoxy-coated reinforcing bars is negligible. With the increments of the coating thickness and the in-service loading level, i.e., fatigue load range, load upper limit and fatigue cycles, the adverse factor resulting from the thicker coating becomes noticeable.
An accurate and efficient analytical model describing the bond effect between reinforcing steel and concrete without taking the double nodes is presented. To increase the efficiency of the solution and reduce the number of degrees of freedom, the reinforcing bar elements are considered to be embedded in the connote elements. Relative douses of freedom accounting for the relative slip between reinforcing steel and concrete are condensed out during the stiffness formation phase. However, these degrees of freedom Can be taken into account explicitly by solving the constructed global equilibrium equation for each reinforcing steel. The usefulness of proposed model is established through the comparison with the experimental data subjected on push and push-pull loadings.
본 논문은 준강성 보강재를 수직방향으로 설치함으로써 연약지반을 개량할 수 있는 장래 현장에서 유용하게 사용될 보강토방법을 제시하였다. 실내모형실험은 보강재를 연약한 사질토층에 수직방향으로 설치하고 그 상부에 두 종류의 모형얕은기초를 축조한 후 보강되지 않은 사질토층과 보강된 사질토층에 대한 지지력을 비교하였다. 또한 보강재표면의 거칠기에 따른 효과와 보강재의 길이, 설치간격, 측면 보강범위와 사질토의 초기상대밀도에 따른 극한지지팩의 증가에 대하여 평가하였다. 실험결과 상대밀도가 낮게나 중간 정도인 사질토층에 보강재를 수직방향으로 설치하였을 때 극한지지력이 상당량 증가됨을 알 수 있었다.
The amount and configuration of transverse reinforcement are known as critical parameters that significantly affect the lateral confinement of concrete, the ductility capacity, and the plastic hinge length of RC columns. Based on test results, this study investigated the effect of the three variables on structural indexes such as neutral axis depth, lateral expansion of concrete, and ductility capacity. Five reinforced concrete column specimens were tested under cyclic flexure and shear while simultaneously subjected to a constant axial load. The columns were reinforced by two types of reinforcing steel: rectangular hoops and spiral type reinforcing bars. The variables in the test program were the shape, diameter, and yield strength of transverse reinforcement. The interactive influence of the amount of transverse reinforcement on the structural indexes was evaluated. Test results showed that when amounts of transverse reinforcement were similar, and yield strength of transverse reinforcement was 600 MPa or less, the neutral axis depth of a column with spiral type reinforcing bars was reduced by 28% compared with that of a column reinforced by existing rectangular hoops at peak strength. While the diagonal elements of spiral-type reinforcing bars significantly contributed to the lateral confinement of concrete, the strain of diagonal elements decreased with increases of their yield strength. It was confirmed that shapes of transverse reinforcement significantly affected the lateral confinement of concrete adjacent to plastic hinges. Transverse reinforcement with a yield strength exceeding 600 MPa, however, increased the neutral axis depth of normal-strength concrete columns at peak strength, resulting in reductions in ductility and energy dissipation capacity.
Deteriorative effects of steel corrosion on the structural response of reinforced concrete are simulated for varying degrees of corrosion. The simulation approach is based on a three-dimensional irregular lattice model of the bulk concrete, in which fracture is modeled using a crack band approach that conserves fracture energy. Frame elements and bond link elements represent the reinforcing steel and its interface with the concrete, respectively. Polylinear stress-slip properties of the link elements are determined, for several degrees of corrosion, through comparisons with direct pullout tests reported in the literature. The link properties are then used for the lattice modeling of reinforced concrete beams with similar degrees of corrosion of the main reinforcing steel. The model is successful in simulating several important effects of steel corrosion, including increased deflections, changes in flexural cracking behavior, and reduced yield load of the beam specimens.
Reinforcing soils with the geosynthetics have been shown to be an effective method for improving the uplift capacity of granular soils. The pull-out resistance of the reinforcing elements is one of the most notable factors in increasing the uplift capacity. In this paper, a new reinforcing element including the elements (anchors) attached to the ordinary geogrid for increasing the pull-out resistance of the reinforcement, is used. Thus, the reinforcement consists of the geogrid and anchors with the cylindrical plastic elements attached to it, namely grid-anchors. A three-dimensional numerical study, employing the commercial finite difference software FLAC-3D, was performed to investigate the uplift capacity of the pipelines buried in sand reinforced with this system. The models were used to investigate the effect of the pipe diameter, burial depth, soil density, number of the reinforcement layers, width of the reinforcement layer, and the stiffness of geogrid and anchors on the uplift resistance of the sandy soils. The outcomes reveal that, due to a developed longer failure surface, inclusion of grid-anchor system in a soil deposit outstandingly increases the uplift capacity. Compared to the multilayer reinforcement, the single layer reinforcement was more effective in enhancing the uplift capacity. Moreover, the efficiency of the reinforcement layer inclusion for uplift resistance in loose sand is higher than dense sand. Besides, the efficiency of reinforcement layer inclusion for uplift resistance in lower embedment ratios is higher. In addition, by increasing the pipe diameter, the efficiency of the reinforcement layer inclusion will be lower. Results demonstrate that, for the pipes with an outer diameter of 50 mm, the grid-anchor system of reinforcing can increase the uplift capacity 2.18 times greater than that for an ordinary geogrid and 3.20 times greater than that for non-reinforced sand.
In the finite element analysis of reinforced concrete structures, discrete representation of the steel reinforcing bars is considered advantageous over smeared representation because of the more realistic modelling of their bond-slip behaviour. However, there is up to now limited research on how to simulate the dowel action of discrete reinforcing bars, which is an important component of shear transfer in cracked concrete structures. Herein, a numerical model for the dowel action of discrete reinforcing bars is developed. It features derivation of the dowel stiffness based on the beam-on-elastic-foundation theory and direct assemblage of the dowel stiffness matrix into the stiffness matrices of adjoining concrete elements. The dowel action model is incorporated in a nonlinear finite element program based on secant stiffness formulation and application to deep beams tested by others demonstrates that the incorporation of dowel action can improve the accuracy of the finite element analysis.
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.
Bond-slip behavior between reinforcement and concrete under push-pull cyclic loadings is numerically investigated based on a reinforcement model proposed in this paper. The equivalent reinforcing steel model considering the bond-slip effect without taking double nodes is derived through the equilibrium at each node of steel and the compatibility condition between steel and concrete. Besides a specific transformation algorithm is composed to transfer the forces and displacements from the nodes of the steel element to the nodes of the concrete element. This model first results in an effective use in the case of complex steel arrangements where the steel elements cross the sides of the concrete elements and second turns the impossibility into a possibility in consideration of the bond-slip effect in three dimensional finite element analysis. Finally, the correlation studies between numerical and experimental results under the continuously repeated large deformation stages demonstrate the validity of developed reinforcing steel model and adopted algorithms.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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