Corrosion products of reinforcement in concrete induce pressure to the adjacent concrete due to the expansion of steel. This expansion causes tensile stresses around the reinforcing bar and eventually induces cracking through the concrete cover The cracking of concrete cover will adversely affect the safety as well as the service life of concrete structures. The purpose of the this study is to examine the critical corrosion amount which causes the cracking of concrete cover. To this end, a comprehensive experimental and theoretical study has been conducted. Major test variables include concrete strength and cover thickness. The strains at the surface of concrete cover have been measured according to the amount of steel corrosion. The corrosion products which penetrate into the pores and cracks around the steel bar have been considered in the calculation of expansive pressure due to steel corrosion. The present study indicates that the critical amount of corrosion, which causes the initiation of cracking, increases with an increase of compressive strength. A realistic relation between the expansive pressure and average strain of corrosion product layer in the corrosion region has been derived and the representative stiffness of corrosion layer was determined. A concept of pressure-free strain of corrosion product layer was introduced to explain the relation between the expansive pressure and corrosion strain. The proposed theory agrees well with experimental data and may be a good base for the realistic durability design of concrete structures.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.37
no.2
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pp.357-367
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2017
Bending and axial forces simultaneously occur at the cross-section of a shotcrete lining reinforced with steel supports due to the tunnel geometry. The shotcrete has changing flexural stiffness depending on the axial forces and, as a result, severely nonlinear behavior. The mechanical properties of a shotcrete-steel composite also depend on the type of steel support. This study presents a fiber section element model considering the effect of axial force to evaluate the nonlinear behavior of a shotcrete-steel composite. Additionally, the model was used to analyze the effects of different types of steel supports on the load capacity. Furthermore, a modified hyperbolic model for ground reaction, including strain-softening, is proposed to account for the ground-lining interaction. The model was validated by comparing the numerical results with results from previous load test performed on arched shotcrete specimens. The changes in mechanical responses of the lining were also investigated. Results show a lining with doubly reinforcement rebar has similar load capacity as a lining with H-shaped supports. The use of more materials for the steel support enhances the residual resistance. For all types of steel reinforcement, the contribution of steel supports during peak load decreases as the ground becomes stiffer.
This paper compares the performance of axially loaded concrete filled steel tube (CFST) columns cast using a conventionally vibrated normal concrete (NC) and a novel self-consolidating concrete (SCC) made with a new viscosity modifying admixture (VMA). A total of sixteen columns with a standard compressive strength of about 50 MPa for both SCC and NC were tested by applying concentric axial load through the concrete core. Columns were fabricated without and with longitudinal and hoop reinforcement (Series I and Series II, respectively) in addition to the tube confinement. The slenderness of the columns expressed as height to diameter ratio (H/D) ranged between 4.8 and 9.5 for Series CI and between 3.1 and 6.5 for Series CII. The strength and ductility of SCC columns were found comparable to those of their NC counterparts as the maximum strength enhancement in NC columns ranged between 1.1% and 7.5% only. No significant difference in strain development was found due to the presence of SCC or NC or due to the presence of longitudinal and hoop reinforcement. Biaxial stress development in the steel tube as per von Mises yield criterion showed similar characteristics for both SCC and NC columns. The confined strength ($f^{\prime}_{cc}$) of SCC was found to be lower than that of NC and $f^{\prime}_{cc}$ also decreased with the increase of slenderness of the columns. Analytical models for the prediction of confined concrete strength and axial strength of CFST columns were developed and their performance was validated through test results. The proposed models were found to predict the axial strength of CFST columns better than existing models and Code based design procedures.
This study was performed to compare the load-carrying capacities of the reinforced concrete structure between the carbon fiber adhesion reinforcement method and the external post-tensioning method and further estimate the effective stress of the reinforced material by analyzing the experimental reinforcing effect of each method and the behavior resulting from each method. As a result, it was found out that the effective stress of the carbon fiber reinforcement according to the carbon fiber adhesion reinforcement method had an unexpected value, and also, bearing of the stress was found to be far from sharing thereof. That is to say, while the carbon fiber was bearing the whole stress to some limits, it got to be momentarily ruptured as soon as it went beyond such limits. On the other hand, the external post-tensioning method has the advantage of inducing an initial effective stress by introducing a strain, and thus, it was found that behavior or bearing of the stress was also found to be a solid behavior of the steel wire. This method was also found to be more efficient and excellent than the carbon fiber adhesion reinforcement method in the reinforcing effect or securing the effective stress. Accordingly, we were to discuss the effective stress as comparatively examined, focusing on deriving of the more enhanced reinforcing effect on the basis of the experiment to which the field characteristic is added.
Daikh, Ahmed Amine;Drai, Ahmed;Houari, Mohamed Sid Ahmed;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.6
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pp.643-656
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2020
This article presents a comprehensive static analysis of simply supported cross-ply carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) laminated nanobeams under various loading profiles. The nonlocal strain gradient constitutive relation is exploited to present the size-dependence of nano-scale. New higher shear deformation beam theory with hyperbolic function is proposed to satisfy the zero-shear effect at boundaries and parabolic variation through the thickness. Carbon nanotubes (CNTs), as the reinforced elements, are distributed through the beam thickness with different distribution functions, which are, uniform distribution (UD-CNTRC), V- distribution (FG-V CNTRC), O- distribution (FG-O CNTRC) and X- distribution (FG-X CNTRC). The equilibrium equations are derived, and Fourier series function are used to solve the obtained differential equation and get the response of nanobeam under uniform, linear or sinusoidal mechanical loadings. Numerical results are obtained to present influences of CNTs reinforcement patterns, composite laminate structure, nonlocal parameter, length scale parameter, geometric parameters on center deflection ad stresses of CNTRC laminated nanobeams. The proposed model is effective in analysis and design of composite structure ranging from macro-scale to nano-scale.
A numerical model that can simulate the nonlinear behavior of ultra high strength fiber-reinforced concrete (UHSFRC) structures subject to monotonic loadings is introduced. Since engineering material properties of UHSFRC are remarkably different from those of normal strength concrete and engineered cementitious composite, classification of the mechanical characteristics related to the biaxial behavior of UHSFRC, from the designation of the basic material properties such as the uniaxial stress-strain relationship of UHSFRC to consideration of the bond stress-slip between the reinforcement and surrounding concrete with fiber, is conducted in this paper in order to make possible accurate simulation of the cracking behavior in UHSFRC structures. Based on the concept of the equivalent uniaxial strain, constitutive relationships of UHSFRC are presented in the axes of orthotropy which coincide with the principal axes of the total strain and rotate according to the loading history. This paper introduces a criterion to simulate the tension-stiffening effect on the basis of the force equilibriums, compatibility conditions, and bond stress-slip relationship in an idealized axial member and its efficiency is validated by comparison with available experimental data. Finally, the applicability of the proposed numerical model is established through correlation studies between analytical and experimental results for idealized UHSFRC beams.
Sandeep, M.S.;Nagarajan, Praveen;Shashikala, A.P.;Habeeb, Shehin A.
Advances in Computational Design
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v.1
no.3
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pp.253-264
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2016
Based on the variation of strain along the cross section, any region in a structural member can be classified into two regions namely, Bernoulli's region (B-region) and Disturbed region (D-region). Since the variation of strain along the cross section for a B-region is linear, well-developed theories are available for their analysis and design. On the other hand, the design of D-region is carried out based on thumb rules and past experience due to the presence of nonlinear strain distribution. Strut-and-Tie method is a novel approach that can be used for the analysis and design of both B-region as well as D-region with equal importance. The strut efficiency factor (${\beta}_s$) is needed for the design and analysis of concrete members using Strut and Tie method. In this paper, equations for finding ${\beta}_s$ for bottle shaped struts in concrete deep beams (a D-region) with and without steel fibres are developed. The effects of transverse reinforcement on ${\beta}_s$ are also considered. Numerical studies using commercially available finite element software along with limited amount of experimental studies were used to find ${\beta}_s$.
A finite element analysis (FEA) model is established to investigate the concrete-encased concrete-filled steel tubular (CFST) column to reinforced concrete (RC) beam joints under cyclic loading. The feasibility of the FEA model is verified by a set of test results, consisting of the failure modes, the exposed view of connections, the crack distributions and development, and the hysteretic relationships. The full-range analysis is conducted to investigate the stress and strain development process in the composite joint by using this FEA model. The internal force distributions of different components, as well as the deformation distributions, are analyzed under different failure modes. The proposed connections are investigated under dimensional and material parameters, and the proper constructional details of the connections are recommended. Parameters of the beam-column joints, including material strength, confinement factor, reinforcement ratio, diameter of steel tube to sectional width ratio, beam to column linear bending stiffness ratio and beam shear span ratio are evaluated. Furthermore, the key parameters affecting the failure modes and the corresponding parameters ranges are proposed in this paper.
This paper presents a theoretical model for the behavior of partially confined axi-symmetric reinforced concrete members subjected to axial load. The analysis uses the theories of elasticity and plasticity to cover the full range of the concrete behavior. Analysis of the elastic range of the problem involves boundary conditions that are defined along a relatively simple geometry. However, extending the analysis into the plastic range involves difficulties that arise from the irregular geometry of the boundary between the plastic zone and the elastic zone, a boundary which is also changing as the axial load increases. The solution is derived by replacing the discrete steel ties with an equivalent tube of thickness $t_{eq}$ and by analyzing the concrete cylinder, which is uniformly confined by the equivalent tube. The equivalency criterion initiates from a theoretical analysis of the problem in its elastic range where further finite element analysis shows that this criterion is valid also for the plastic range of the cylinder material. According to the proposed model, the efficiency of the lateral reinforcement can be evaluated by the equivalent thickness $t_{eq}$. Comparison with published test results of confined reinforced concrete stress-strain curves shows good agreement between the test and the analytical results.
In order to investigate the effect of parameters such as orientation and surface roughness of a reinforcing material as well as the water content of the clay matrix on the stress-strain and failure behavior of reinforced clay, uniaxial compression tests were performed on clay samples reinforced with a steel inclusion Test results showed that the increase or decrease in strength of reinforced clay samples was found to depend on the orientation of a steel inclusion as well as water content of clay samples. The possible weakening mechanism induced by reinforcement in clay samples was related to the development of cracks along the tips of interface between steel inclusion and clay matrix. A theoretical interpretation of failure behavior of reinforced clay was made by using fracture mechanics theory, and the experimental results were compared with the theoretical predictions. The predicted crack propagation direction obtained from fracture criteria for a material containing a closed crack with friction agreed reasonably well with the measured values obtained from tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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