As concrete dominates the construction industry, alternatives to traditionally used steel reinforcement are being sought. This study explored the suitability of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) as a substitute within rigid frames, focusing on its impact on section ductility and overall structural durability against seismic events. However, current design guidelines address quasi-static loads, leaving a gap for dynamic or extreme circumstances. Our approach included multiscale simulations, parametric study, and energy dissipation analyses, drawing upon a unique adaptation of modified compression field theory. In our efforts to optimize macro and microparameters to improve yield strength, manage brittleness, and govern failure modes, we also recognized the potential of CFRP's high corrosion resistance. This characteristic of CFRP could significantly reduce the frequency of required repairs, thereby contributing to enhanced durability of the structures. The research reveals that CFRP's durability and seismic resistance are attributed to plastic joints within compressed fibers. Notably, CFRP can impart ductility to structural designs, effectively balancing its inherent brittleness, particularly when integrated with quasi-brittle materials. This research challenges the notion that designing bendable components with carbon fiber reinforcement is impractical. It shows that creating ductile bending components with CFRP in concrete is feasible despite the material's brittleness. This funding overturns conventional assumptions and opens new avenues for using CFRP in structural applications where ductility and resilience are crucial.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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제21권4호
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pp.30-38
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2017
Recently, research on the development of a composite slab system for shorting the construction period by simplifying the process by omitting the form work and the reinforcement placing is underway. The purpose of this study is to evaluate the long-term behavior of a simplified slab system that replaces the form work and tensile reinforcement using structural deck-plate and replaces the temperature reinforcement using steel fiber reinforced concrete. In the conventional composite deck-plate slab method, w.w.f is generally used for crack control by drying shrinkage. But previous research results by various researchers were pointed out it is not effective to control the shrinkage and temperature cracking. In this study, the long-term cracking and structural behavior of steel fiber reinforced deck plate slab specimen with two continuous spans constructed under typical load conditions were evaluated. Experimental results showed that the number and width of long-term cracks decreased remarkably in the simplified slab specimen, and the deflection was also decreased compared with conventional RC slab specimen. However, in the continuous end of the slab where the negative moment is applied, it is analyzed that reinforced details are necessary to control the crack width in the service load and to recover deflection at load removal.
The flexural behavior test of UHPC segmental box girder which has 160 MPa compressive strength and 15.4 m length was carried out. The effect of steel fibers in combination with reinforcing bars on improving the ductile performance of UHPC box girder was evaluated by comparing the flexural behavior of the UHPC segmental box girders made by the two kinds of mixing portion. The test variables are volume fraction of steel fibers and the arrangement of reinforcing bars. The behavior of UHPC box girder BF2 composed of 1% volume fraction of steel fibers and longitudinal reinforcing bars in web and upper flange with stirrup showed the similar ductile behavior with the girder BF1 composed of 2% volume fraction without stirrup in elastic stress region. But BF1 had the better stiffness and showed the more ductile behavior in inelastic stress region. Segmental interfaces of UHPC box girder have not any crack and slide until the final flexural collapse load.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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제13권1호통권53호
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pp.169-178
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2009
Ring-type steel fibers (RSFs) of the closed circular shape, have different resistance mechanisms other than straight steel fibers. RSFs also maintain the same value of the orientation factor for the plane enclosed by the fiber ring perimeter. In this research, comparative studies were performed for the panels reinforced with RSFs and with straight steel fibers of $15kg/m^3$ and $30kg/m^3$, respectively. Resisting mechanisms of RSFs were identified and higher toughness indices were experimentally observed for the concrete panels reinforced with RSFs than with straight steel fibers. Orientation factor for the RSF was suggested. It was found that RSFs were more effective in increasing toughness for the panel specimens with relatively thinner thickness than beam specimens.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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제22권6호
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pp.189-196
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2018
Degraded shear performance of reinforced concrete members with recycled coarse aggregate (RCA) compared to flexural strength is a problem. To address this, steel fibers can be used as concrete reinforcement material. In this study, the strength and deformation characteristics of SFRC beams using RCA were to be determined by shear tests. Major experimental variables include the volume fraction of steel fiber (0, 0.5%, 1%), the replacement rate of RCA (0%, 100%), and the shear span ratio (a/d = 1, 2). As a result of the experiment, the shear strength of the specimen increased as the rate of mixing steel fiber increased. For specimens with RCA and 1% steel fiber, the maximum shear strengths increased by 1.77 - 6.25% compared to specimens with normal coarse aggregate (NCA). On the other hand, at 0-0.5% steel fiber, the shear strengths of RCA specimens were reduced by 24.2% to 49.2% compared to NCA specimens. This indicates that reinforcement with 1% volume fraction of steel fiber greatly contributes to preventing shear strength reduction due to the use of RCA.
Mohammed, Thaer Jasim;Bakar, B.H. Abu;Bunnori, N. Muhamad;Ibraheem, Omer Farouk
Computers and Concrete
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제16권1호
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pp.1-16
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2015
The proposed techniques to strengthen concrete members such as steel plates, polymers or concrete have important deficiencies in adherence and durability. The use of UHPFC plates can overtake effectively these problems. In this paper, the possibility of using UHPFC to strengthen RC beams under torsion is investigated. Four specimens of concrete beams reinforced with longitudinal bars only were tested under pure torsion. One of the beams was considered as the baseline specimen, while the others were strengthened by ultra-high-performance fiber concrete (UHPFC) on two, three, and four sides. Finite element analysis was conducted in tandem with experimental work. Results showed that UHPFC enhances the strength, ductility, and toughness of concrete beams under torsional load, and that finite element analysis is in good agreement with the experimental data.
Bonding carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) laminates have been extensively employed in the restoration of steel constructions. In addition to the mechanical properties of the CFRP, the bond strength (PU) between the CFRP and steel is often important in the eventual strengthened performance. Nonetheless, the bond behavior of the CFRP-steel (CS) interface is exceedingly complicated, with multiple failure causes, giving the PU challenging to forecast, and the CFRP-enhanced steel structure is unsteady. In just this case, appropriate methods were established by hybridized Random Forests (RF) and support vector regression (SVR) approaches on assembled CS single-shear experiment data to foresee the PU of CS, in which a recently established optimization algorithm named Aquila optimizer (AO) was used to tune the RF and SVR hyperparameters. In summary, the practical novelty of the article lies in its development of a reliable and efficient method for predicting bond strength at the CS interface, which has significant implications for structural rehabilitation, design optimization, risk mitigation, cost savings, and decision support in engineering practice. Moreover, the Fourier Amplitude Sensitivity Test was performed to depict each parameter's impact on the target. The order of parameter importance was tc> Lc > EA > tA > Ec > bc > fc > fA from largest to smallest by 0.9345 > 0.8562 > 0.79354 > 0.7289 > 0.6531 > 0.5718 > 0.4307 > 0.3657. In three training, testing, and all data phases, the superiority of AO - RF with respect to AO - SVR and MARS was obvious. In the training stage, the values of R2 and VAF were slightly similar with a tiny superiority of AO - RF compared to AO - SVR with R2 equal to 0.9977 and VAF equal to 99.772, but large differences with results of MARS.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제18권1E호
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pp.29-34
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2006
Elastic modulus, tensile and bond capacities are important factors for developing an effective reinforcing action of a flexural member as a reinforcing material for concrete structures. Reinforcement must have enough bond capacity to prevent the relative slip between concrete and reinforcement. This paper presents an experimental study to clarify the bond capacity of prestressed carbon fiber reinforced polymer(CFRP) rod manufactured by an automatic assembly robot. The bond characteristics of CFRP rods with different pitch of helical wrapping were analyzed experimentally. As the result, all types of CFRP rods show a high initial stiffness and good ductility. The mechanical properties of helical wrapping of the CFRP rods have an important effect on the bond of these rods to concrete after the bond stress reached the yield point. The stress-slip relationship analyzed from the pull-out test of embedded cables within concrete was linear up to maximum bond capacity. The deformation within the range of maximum force seems very low and was reached after approximately 1 mm. The average bond capacity of CF20, CF30 and CF40 was about 12.06 MPa, 12.68 MPa and 12.30 MPa, respectively. It was found that helical wrapping was sufficient to yield bond strengths comparable to that of steel bars.
Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute
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제10권4호
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pp.443-449
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2022
When fiber reinforced concrete is manufactured, it is useful to utilize lathe scrap as an aiternative material of steel fiber, because it is not only economical as an by-product of steel manufactures, but also has a very similar composition to that of steel fiber. The purpose of this experimental research is to evaluate the compressive strength and tensile behavior and then propose a material model of lathe scrap reinforced mortar. For this purpose, the lathe scrap reinforced mortars were ma de a ccording to their tota l volume fra ction of 1.5 % for wa ter-binder ra tio of 30 % a nd 40 %, respectively, a nd then the mechanical properties such as compressive strength, direct tensile strength, and stress-strain curve of those were evaluated. Also, based on the experimental results of lathe scrap reinforced mortar the material model for tensile behavior was suggested. It was revealed that the experimental results and the proposed material model corresponded relatively well.
In the field of composite structures, the use of carbon tube for the confinement of concrete has been arisen since 1990's. However, experimental and analytical studies were limited to those of reinforced concrete and concrete filled steel tube. The carbon tube provides excellent confinement capabilities for concrete cores, enhancing compressive strength and ductility of concrete significantly. The carbon tube has high tensile strength, light weight, corrosion immunity and high fatigue strength properties. Since carbon fiber is an anisotropic material, carbon tube could be optimized by adjusting the fiber orientation, thickness and the number of different layers. In this study, both experimental and analytical studies of axial and lateral behavior of full-scale CFCT (Concrete Filled Carbon Tube) columns subjected to monotonic axial load were carried out using Drucker-Prager theory. And, based on comparison results between experiment results and analytical results, k factor estimation was proposed for effective analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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