Md. Akter, Hosen; Mohd Zamin, Jumaat;A.B.M. Saiful, Islam;Khalid Ahmed, Al Kaaf;Mahaad Issa, Shammas;Ibrahim Y., Hakeem;Mohammad Momeen, Ul Islam
Structural Engineering and Mechanics
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v.85
no.2
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pp.179-195
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2023
The performance of reinforced concrete (RC) beam specimens strengthened using a newly proposed Side Near Surface Mounted (S-NSM) technology was investigated experimentally in this work. In addition, analytical and nonlinear finite element (FE) modeling was exploited to forecast the performance of RC members reinforced with S-NSM utilizing steel bars. Five (one control and four strengthened) RC beams were evaluated for flexural performance under static loading conditions employing four-point bending loads. Experimental variables comprise different S-NSM reinforcement ratios. The constitutive models were applied for simulating the non-linear material characteristics of used concrete, major, and strengthening reinforcements. The failure load and mode, yield and ultimate strengths, deflection, strain, cracking behavior as well as ductility of the beams were evaluated and discussed. To cope with the flexural behavior of the tested beams, a 3D non-linear FE model was simulated. In parametric investigations, the influence of S-NSM reinforcement, the efficacy of the S-NSM procedure, and the structural response ductility are examined. The experimental, numerical, and analytical outcomes show good agreement. The results revealed a significant increase in yield and ultimate strengths as well as improved failure modes.
El-Kholy, Ahmed M.;Osman, Ahmed O.;EL-Sayed, Alaa A.
Computers and Concrete
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v.29
no.4
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pp.219-235
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2022
Strengthening slender reinforced concrete (RC) columns is a challenge. They are susceptible to overall buckling that induces bending moment and axial compression. This study presents the precise three-dimensional finite element modeling of slender RC columns strengthened with fiber-reinforced polymer (FRP) composites sheets with various patterns under concentric or eccentric compression. The slenderness ratio λ (height/width ratio) of the studied columns ranged from 15 to 35. First, to determine the optimal modeling procedure, nine alternative nonlinear finite element models were presented to simulate the experimental behavior of seven FRP-strengthened slender RC columns under eccentric compression. The models simulated concrete behavior under compression and tension, FRP laminate sheets with different fiber orientations, crack propagation, FRP-concrete interface, and eccentric compression. Then, the validated modeling procedure was applied to simulate 58 FRP-strengthened slender RC columns under compression with minor eccentricity to represent the inevitable geometric imperfections. The simulated columns showed two cross sections (square and rectangular), variable λ values (15, 22, and 35), and four strengthening patterns for FRP sheet layers (hoop H, longitudinal L, partial longitudinal Lw, and longitudinal coupled with hoop LH). For λ=15-22, pattern L showed the highest strengthening effectiveness, pattern Lw showed brittle failure, steel reinforcement bars exhibited compressive yielding, ties exhibited tensile yielding, and concrete failed under compression. For λ>22, pattern Lw outperformed pattern L in terms of the strengthening effectiveness relative to equivalent weight of FRP layers, steel reinforcement bars exhibited crossover tensile strain, and concrete failed under tension. Patterns H and LH (compared with pattern L) showed minor strengthening effectiveness.
Current design methods for reinforced earth structures take no account of the magnitude of the strains induced in the tensile members as these are invariably manufactured from high modulus materials, such as steel, where straits are unlikely to be significant. With fabrics, however, large strains may frequently be induced and it is important to determine these to enable the stability of the structure to be assessed. In the present paper internal design method of analysis relating to the use of fabric reinforcements in reinforced earth structures for both stress and strain considerations is presented. For the internal stability analysis against rupture and pullout of the fabric reinforcements, a strain compatibility analysis procedure that considers the effects of reinforcement stiffness, relative movement between the soil and reinforcements, and compaction-induced stresses as studied by Ehrlich 8l Mitchell is used. I Bowever, the soil-reinforcement interaction is modeled by relating nonlinear elastic soil behavior to nonlinear response of the reinforcement. The soil constitutive model used is a modified vertsion of the hyperbolic soil model and compaction stress model proposed by Duncan et at., and iterative step-loading approach is used to take nonlinear soil behavior into consideration. The effects of seepage pressures are also dealt with in the proposed method of analy For purposes of assessing the strain behavior oi the fabric reinforcements, nonlinear model of hyperbolic form describing the load-extension relation of fabrics is employed. A procedure for specifying the strength characteristics of paraweb polyester fibre multicord, needle punched non-woven geotHxtile and knitted polyester geogrid is also described which may provide a more convenient procedure for incorporating the fablic properties into the prediction of fabric deformations. An attempt to define improvement in bond-linkage at the interconnecting nodes of the fabric reinforced earth stracture due to the confining stress is further made. The proposed method of analysis has been applied to estimate the maximum tensions, deformations and strains of the fabric reinforcements. The results are then compared with those of finite element analysis and experimental tests, and show in general good agreements indicating the effectiveness of the proposed method of analysis. Analytical parametric studies are also carried out to investigate the effects of relative soil-fabric reinforcement stiffness, locked-in stresses, compaction load and seepage pressures on the magnitude and variation of the fabric deformations.
An improved unbonded-type column strengthening procedure using wire rope and T-shaped steel plate units was proposed. Eight strengthened columns and an unstrengthened control column were tested under concentric axial load. The main variables considered were the volume ratio of wire rope and the flange width and configuration of T-shaped steel plates. Axial load capacity and ductility ratio of columns tested were compared with predictions obtained from the equation specified in ACI 318-05 and those of conventionally tied columns tested by Chung et al., respectively. In addition, a mathematical model was proposed to evaluate the complete stress-strain relationship of concrete confined by the wire rope and T-plate units. Test results showed that the axial load capacity and ductility of columns increased with the increase of the volume ratio of wire rope and the flange width of T-plates. In particular, at the same lateral reinforcement index, a much higher ductility ratio was observed in the strengthened columns having the volume ratio of wire rope above 0.0039 than in the tied columns. A mathematical model for the stress-strain relationship of confined concrete using the proposed strengthening procedure is developed. The predicted stress-strain curves were in good agreement with test results.
A simple design method for rib-reinforced seismic steel moment connections has been recently proposed based on the equivalent strut model. An experimental program was implemented to verify the proposed design method, as well as develop the schemes that will prevent cracking at the rib tip where stress concentration was evident. All specimens designed using the proposed method were able to develop a satisfactory connection plastic rotation of 0.04 radian. In addition to rib reinforcement, slight beam flange trimming pushed the plastic hinging and local buckling of the beam away from the rip tip and effectively reduced cracking potential at the rib tip. Using strain gage readings, the strut action of the rib and resulting reverse shear in the beam web were also experimentally identified.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.6
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pp.3-10
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2018
This paper described the shear strengthening effect by deviator location in pre-damaged reinforced concrete (RC) beams strengthened with externally post-tensioning steel rods. Three reinforced concrete beams as control beam and eight post-tensioned beams using external steel rods were tested to fail in shear. The externally post-tensioning material was a steel rod of 22 mm diameter, and it had a 655 MPa yield strength and an 805 MPa tensile strength. Specimens depend on multiple variables, such as the number of deviators, location of deviator, and load pattern. The pre-damaged loads up to about 2/3 of ultimate shear capacities were applied to specimens using displacement control and the diagonal shear crack just occurred at these loading levels. And then, the post-tensioning up to when a strain of steel rod reaches about $2000{\mu}{\varepsilon}$ was continuously applied to beam. A displacement control was changed to a load control during post-tensioning. The post-tensioning resulted in increase of load-carrying capacity and restoration of existing deflection. Also, it prevented the existing diagonal cracks from excessively growing. Two deviators effectively improved the load capacity when compared with in case of test which one deviator at mid-span installed. When deviators were located near region which the diagonal crack occurred on, the strengthening impact by post-tensioning was greater.
The strain rate of reinforced concrete (RC) structures stimulated by earthquake action has been generally recognized as in the range from $10^{-4}/s$ to $10^{-1}/s$. Because both concrete and steel reinforcement are rate-sensitive materials, the RC beam-column joints are bound to behave differently under different strain rates. This paper describes an investigation of seismic behavior of RC beam-column joints which are subjected to large cyclic displacements on the beam ends with three loading velocities, i.e., 0.4 mm/s, 4 mm/s and 40 mm/s respectively. The levels of strain rate on the joint core region are correspondingly estimated to be $10^{-5}/s$, $10^{-4}/s$, and $10^{-2}/s$. It is aimed to better understand the effect of strain rates on seismic behavior of beam-column joints, such as the carrying capacity and failure modes as well as the energy dissipation. From the experiments, it is observed that with the increase of loading velocity or strain rate, damage in the joint core region decreases but damage in the plastic hinge regions of adjacent beams increases. The energy absorbed in the hysteresis loops under higher loading velocity is larger than that under quasi-static loading. It is also found that the yielding load of the joint is almost independent of the loading velocity, and there is a marginal increase of the ultimate carrying capacity when the loading velocity is increased for the ranges studied in this work. However, under higher loading velocity the residual carrying capacity after peak load drops more rapidly. Additionally, the axial compression ratio has little effect on the shear carrying capacity of the beam-column joints, but with the increase of loading velocity, the crack width of concrete in the joint zone becomes narrower. The shear carrying capacity of the joint at higher loading velocity is higher than that calculated with the quasi-static method proposed by the design code. When the dynamic strengths of materials, i.e., concrete and reinforcement, are directly substituted into the design model of current code, it tends to be insufficiently safe.
Kim, Joo-Seok;Yoo, Sang-Geon;Lee, Yong-Jun;Shin, Hyum-Seong;Kim, Eun-Kyum
Proceedings of the KSR Conference
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2008.11b
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pp.928-934
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2008
Resently, Fiber Reinforced Concrete is used for not only preventing crack of concrete but also reinforcing general methods. Steel Fiber and PP(poly-propylene) Fiber are usually used as fiber reinforced materials. However, using these materials for shotcrete on Railway tunnel can cause some problems such as damage of pressure hose and shotcrete rebound. In addition, Steel fiber is an expensive material and it can cause safety problems during applying to shotcrete. PP Fiber can cause a problem in fiber balling during applying to shotcrete railway tunnel construction. A purpose of the research is applying a development of PET(Poly Etylene Terephtalate) fiber by recycling pet bottles to the shotcrete tunnel exposed to explosion spalling. To investigate the reinforcement effect of the PET fiber, some basic tests are accomplished to physical properties and explosion spalling by fire. As a result of the tests, a concrete mixing the PET fiber has stronger resistance effect in the explosion spalling by high temperature than another strong fiber concrete does, and that the former concrete is also equal or more effective on the result of the above tests to physical properties like compression and strain than the latter one is demonstrated.
A hollow-core partially-encased composite beam, named HPEC beam, is investigated in this paper. HPEC beam comprises I-beam, longitudinal reinforcement, stirrup, foam formwork, and cementitious grout. The foam formwork is located on both sides of the web, and cementitious grout is cast within the steel flange. To investigate the shear performance of HPEC beams, static loading tests of six HPEC beams and three control beams were conducted. The shear span ratio and the number of studs on the shear behavior of the HPECspecimens were studied. The failure mechanism was studied by analyzing the curves of shear force versus both deflection and strain. Based on the shear span ratio (𝜆), two typical shear failure modes were observed: shear compression failure when 1.6 ≤ 𝜆 ≤ 2; and diagonal compression failure when 𝜆 ≤ 1.15. Shear studs welded on the flange can significantly increase the shear capacity and integrity of HPEC beams. Flange welded shear studs are suggested. Based on the deformation coordination theory and superposition method, combined with the simplified modified compression field model and the Truss-arch model, Modified Deformation Coordination Truss-arch (M.D.C.T.) model was proposed. Compared with the shear capacity from YB9038-2006 and JGJ138-2016, the calculation results from M.D.C.T. model could provide reasonable predictions.
One of the important considerations in structural designing the flat plate system is ensuring the resistance to punching shear caused by axial loads and the ductile ability to follow horizontal deformation under earthquake. In this study, the ECC (Engineered Cementitious Composite) has been placed in the critical section zone of punching shear at slab-column joint to improve ductility and the advanced details of shear reinforced area nearby critical section zone has been developed using stud and steel fiber. The shear performance tests were performed on the specimens with parameters of fiber type mixed with ECC, stud and steel fiber set into the shear reinforced area in which the failure pattern, joint strength, displacement and strain of the specimen were compared and analyzed. The test results showed that the strength and ductility of specimens with ECC applied to joint were better than those of RC flat plate system. Also, the shear reinforcement effect of stud and the ductility improvement of steel fiber concrete were confirmed in the shear reinforcement area.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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