The main goal of this study is to prepare a program for analyzing High Strength Steel Fibrous Reinforced Concrete (HSSFRC) slabs and predict the response and strength of the slab instead of preparing a prototype and testing it in the laboratory. For this purpose, new equations are proposed to represent the material properties of High Strength Steel Fibrous Reinforced Concrete. The proposed equations obtained from performing regression analysis on many experimental results using statistical programs. The finite element method is adopted for non-linear analysis of the slabs. The eight-node "Serendipity element" (3 DoF) is chosen to represent the concrete. The layered approach is adopted for concrete elements and the steel reinforcement is represented by a smeared layer. The compression properties of the concrete are modeled by a work hardening plasticity approach and the yield condition is determined depending on the first two stress invariants. A tensile strength criterion is adopted in order to estimate the cracks propagation. many experimental results for testing slabs are compared with the numerical results of the present study and a good agreement is achieved regarding load-deflection curves and crack pattern. The response of the load deflection curve is slightly stiff at the beginning because the creep effect is not considered in this study and for assuming perfect bond between the steel reinforcement and the concrete, however, a great agreement is achieved between the ultimate load from the present study and experimental results. For the models of the tension stiffening and cracked shear modulus, the value of Bg and Bt (Where Bg and Bt are the curvature factor for the cracked shear modulus and tension stiffening models respectively) equal to 0.005 give good results compared with experimental result.
Taking into account the geometrical and material nonlinearities, an ultimate behavior of reinforced concrete cooling tower shell in hyperbolic configuration is presented. The design wind pressures suggested in the guidelines of the US (ACI) and Germany (VGB), with or without the effect of internal suction, are employed in the analysis to examine the qualitative and quantitative characteristics of each design wind pressure. The geometrical nonlinearity is incorporated by the Green-Lagrange strain tensor. The nonlinear features of concrete, such as the nonlinear stress-strain relation in compression, the tensile cracking with the smeared crack model, an effect of tension stiffening, are taken into account. The biaxial stress state in concrete is represented by an improved work-hardening plasticity model. From the perspective of quality of wind pressures, the two guidelines are determined as highly correlated each other. Through the extensive analysis on the Niederaussem cooling tower in Germany, not only the ultimate load is determined but also the mechanism of failure, distribution of cracks, damage processes, stress redistributions, and mean crack width are examined.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.7
no.2
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pp.69-77
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1987
A finite element method has been developed to study the material nonlinear analysis of reinforced concrte structures. Concrete behavior under the biaxial state of stress is represented by a nonlinear constitutive relationship which incorporates tensile cracking, tensile stiffening effect between cracks and the strain-softening phenomenon beyond the maximum compressive strength. The concrete model used is based upon nonlinear elasticity by assuming concrete to be an orthotropic material and modeled as equivalent uniaxial stress-strain constitutive relationship using equivalent uniaxial strain. The streel reinforcement is assumed to be in a uniaxial stress state and is modeled as a bilinear, elasto-plastic material with strain hardening approximating the Bauschinger effect. In plane stress state, R.C. beams is modeled as a quadratic element that has two degrees of freedom in each node. And this results of finite element analysis are compared with the experimential results of midspan deflection, stresses and strains.
In this paper, a modified rigid body spring model (RBSM) is proposed and used to analyze the damage and failure process of reinforced concrete (RC) structures. In the proposed model, the concrete is represented by an assembly of rigid blocks connected with a uniform distribution of normal and tangential springs to simulate the macroscopic mechanical behavior of concrete. Steel bars are evenly dispersed into rigid blocks as a kind of homogeneous axial material, and an additional uniform distribution of axial and dowel springs is defined to consider the axial stiffness and dowel action of steel bars. Perfect bond between the concrete and steel bars is assumed, and tension stiffening effect of steel bars is modeled by adjusting the constitutive relationship for the tensile reinforcement. Adjacent blocks are allowed to separate at the contact interface, which makes it convenient and easy to simulate the cracking process of concrete. The failure of the springs is determined by the Mohr-Coulomb type criterion with the tension and compression caps. The effectiveness of the proposed method is confirmed by elastic analyses of a cantilever beam under different loading conditions and failure analyses of a RC beam under two-point loading.
Proceedings of the Korean Society of Agricultural Engineers Conference
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2003.10a
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pp.387-390
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2003
Direct tensile tests were carried out for the tensile members of steel-reinforced polymer concrete with different steel diameters and steel ratios to figure out the effect of tensile strength of polymer concrete. In the experiments, polymer concrete with $1000kgf/cm^2$ of compressive strength, steel with $5200kgf/cm^2$ of tensile strength, and the tensile members with 100 cm of constant length were used. Experimental results showed that, regardless of steel diameters and steel content, the strain energy exerted by concrete till the initial crack was 14-15% of the total energy till the point of yield: The energy was much larger than the one of high-strength cement concrete. The behaviors of tensile members of steel-reinforced polymer concrete were in relatively good agreement with the model suggested by Gupta-Maestrini (1990), which was idealized by the effective tensile stress-strain relationship of concrete and the load-strain relationship of members, while those showed a big difference from CEB-FIP model and ACI-224 equation suggested for the load-displacement relationship that was defined as the cross sectional stiffness of effective axis. Modified ACI-224 model code about the load-displacement relationship for the tensile members of steel-reinforced polymer concrete and theoretical equation for the polymer concrete tensile stiffness of polymer concrete suggested through the results of this study are expected to be used in an accurate structural analysis and design for the polymer concrete structural members.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1999.04a
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pp.756-761
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1999
The objective of this study is to develop finite element analysis technique to predict the strength reduction of deteriorated reinforced concrete beams and their strengthening capacity. In order to consider the effect of rebar corrosion, a tension stiffening model is proposed and area reduction of rebars due to corrosion is considered. For the analysis of strengthened deteriorated RC beams, one dimensional truss element and an interface element are introduced for models of the strengthening composite and the interface between concrete and composite to simulate delamination or discontinuous behavior at the interface. Then, analyses for deteriorated RC beams strengthened with glass fiber reinforced epoxy panel (GFREP) are carried out to predict both flexural failure and plate-end delamination failure. Finally, analysis results are verified with experimental results.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.413-416
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2004
This paper describes a proposal for crack width and deflection in RC flexural members. Because the serviceability provisions of the current codes are mainly based on only empirical relationships developed from test result and effective moment of inertia, crack width and deflections are contrary to the actual values. Based on nonlinear bond characteristics, tension stiffening effect, arch action and effective concrete tensile area. Then an equation is developed for predicting crack width and deflection in flexural members. The predicted results shows that as proposed model employed, crack width and deflections are different from estimated by the current KCI, MC 90 and EC 2 provisons, and the values predicted are in good agreement with experimentally measured values.
In this study, the flexural test for reinforced high performance fiber reinforced cementitious composites (R/HPFRCC) members has been conducted in order to investigate the flexural behavior including the effect of an ordinary tensile reinforcing bar. Through the test, it was observed that the flexural strength increased due to the stable tensile stress transfer of HPFRCC, even up to the ultimate state. In addition, no localized crack appeared until the yielding of the reinforcement. From the layered section analysis of the tested members, it was found that the analysis with the tensile model obtained from the tension stiffening test showed better agreement with the flexural test results, whereas the analysis with direct tension test results overestimated the flexural capacity. Through the experimental and analytical studies, two flexural failure modes have been defined in this paper; concrete crushing at the top compression layer or tensile failure at the bottom tensile layer of the beam section. Based on these two flexural failure modes, a simple formula that estimates the ultimate flexural strength of the member has been proposed in this paper. The proposed equations can be useful in a design and an analysis of R/HPFRCC members.
Tamayo, Jorge Luis Palomino;Awruch, Armando Miguel
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.5
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pp.799-823
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2016
A finite element model for the non-linear dynamic analysis of a reinforced concrete (RC) containment shell of a nuclear power plant subjected to extreme loads such as impact and earthquake is presented in this work. The impact is modeled by using an uncoupled approach in which a load function is applied at the impact zone. The earthquake load is modeled by prescribing ground accelerations at the base of the structure. The nuclear containment is discretized spatially by using 20-node brick finite elements. The concrete in compression is modeled by using a modified $Dr{\ddot{u}}cker$-Prager elasto-plastic constitutive law where strain rate effects are considered. Cracking of concrete is modeled by using a smeared cracking approach where the tension-stiffening effect is included via a strain-softening rule. A model based on fracture mechanics, using the concept of constant fracture energy release, is used to relate the strain softening effect to the element size in order to guaranty mesh independency in the numerical prediction. The reinforcing bars are represented by incorporated membrane elements with a von Mises elasto-plastic law. Two benchmarks are used to verify the numerical implementation of the present model. Results are presented graphically in terms of displacement histories and cracking patterns. Finally, the influence of the shear transfer model used for cracked concrete as well as the effect due to a base slab incorporation in the numerical modeling are analyzed.
Because the elevated temperature degrades the mechanical properties of materials used in containments, the global behavior of containments subjected to the internal pressure under high temperature is remarkably different from that subjected to the internal pressure only. This paper concentrates on the nonlinear finite element analyses of the nuclear power plant containment structures, and the importance for the consideration of the elevated temperature effect has been emphasized because severe accident usually accompanies internal high pressure together with a high temperature increase. In addition to the consideration of nonlinear effects in the containment structure such as the tension stiffening and bond-slip effects, the change in material properties under elevated temperature is also taken into account. This paper, accordingly, focuses on the three-dimensional nonlinear analyses with thermal effects. Upon the comparison of experiment data with numerical results for the SNL 1/4 PCCV tested by internal pressure only, three-dimensional analyses for the same structure have been performed by considering internal pressure and temperature loadings designed for two kinds of severe accidents of Saturated Station Condition (SSC) and Station Black-out Scenario (SBO). Through the difference in the structural behavior of containment structures according to the addition of temperature loading, the importance of elevated temperature effect on the ultimate resisting capacity of PCCV has been emphasized.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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