The effectiveness of the use of modern repair schemes for the seismic retrofit of existing RC structures were assessed on a comparative experimental study of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strips and sheets for the repair of reinforced concrete members of RC frames, damaged because of cyclic loading. Two virgin, single - story, one - bay, 1/3 - scale frame specimens were tested under cyclic horizontal loading, up to a drift level of 4%. Then, virgin specimens, B and F, respectively, were repaired and retested in the same way. One, specimen RB, was repaired with epoxy injections and CFRP strips and one, specimen RF, was repaired with epoxy injections and CFRP sheets. The two specimens are used to examine the differences between the structural behavior of frames repaired using CFRP strips and frames repaired using CFRP sheets. Both qualitative and quantitative conclusions, based on the observed maximum loads, loading and reloading stiffness, hysteretic energy absorption and failure mechanisms are presented and compared. The repaired frames recovered their strength, stiffness and energy dissipated reasonably. The use of CFRP sheets was found more effective than CFRP strips, due to the proper anchorage.
Performance of shear-deficient reinforced concrete (RC) beams strengthened with carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strips/sheets is analyzed through numerical simulations on four-point bending tests. The numerical simulations are carried out using the finite element (FE) program ABAQUS. A micromechanics-based constitutive model (Liang et al. 2006) is implemented into the FE program ABAQUS to model CFRP strips/sheets. The predicted results are compared with experiment data (Khalifa and Nanni 2002) to assess the accuracy of the proposed FE analysis approach. A series of numerical tests are conducted to investigate the influence of stirrup lay-ups on the shear strengthening performance of the CFRP strips/sheets, to illustrate the influence of the damage parameters on the microcrack density evolution in concrete, and to investigate the shear and flexural strengthening performance of CFRP strips/ sheets. It has been shown that the proposed FE analysis approach is suitable for the performance prediction of RC beams strengthened with CFRP strips/sheets.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.05a
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pp.287-290
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2005
CFRP strips manufactured in factory are produced normally with smaller width and larger thickness than CFRP sheets. By this reason, bonding force between CFRP strips and concrete substrate is not sufficient to sustain tensile force in CFRP strips. Therefore premature debonding failure cannot be avoided when strengthening is done by simply bonding the CFRP strips. The flexural strength of RC beam strengthened with CFRP strips must be calculated based on the effective strain considering debonding failure. This paper presents test results of an experimental study conducted to evaluate the flexural strength on RC beams strengthened with CFRP strips. 7 specimens were tested with respect to bond length and amount of CFRP strips. From the test results, it was indicated that the strain of the CFRP strips achieved at debonding failure can be decreased less than 6,000$\mu$ depending on the amount of CFRP strips.
Hawileh, Rami A.;Abdalla, Jamal A.;Tanarslan, Murat H.;Naser, Mohannad Z.
Computers and Concrete
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v.8
no.2
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pp.193-206
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2011
The use of Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) to strengthen reinforced concrete beams under bending and shear has gained rapid growth in recent years. The performance of shear strengthened beams with externally bonded CFRP laminate or fabric strips is raising many concerns when the beam is loaded under cyclic loading. Such concerns warrant experimental, analytical and numerical investigation of such beams under cyclic loading. To date, limited investigations have been carried out to address this concern. This paper presents a numerical investigation by developing a nonlinear finite element (FE) model to study the response of a cantilever reinforced concrete T-beam strengthened in shear with side bonded CFRP fabric strips and subjected to cyclic loading. A detailed 3D nonlinear finite element model that takes into account the orthotropic nature of the polymer's fibers is developed. In order to simulate the bond between the CFRP sheets and concrete, a layer having the material properties of the adhesive epoxy resin is introduced in the model as an interface between the CFRP sheets and concrete surface. Appropriate numerical modeling strategies were used and the response envelope and the load-displacement hysteresis loops of the FE model were compared with the experimental response at all stages of the cyclic loading. It is observed that the responses of the FE beam model are in good agreement with those of the experimental test. A parametric study was conducted using the validated FE model to investigate the effect of spacing between CFRP sheets, number of CFRP layers, and fiber orientation on the overall performance of the T-beam. It is concluded that successful FE modeling provides a practical and economical tool to investigate the behavior of such strengthened beams when subjected to cyclic loading.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.5
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pp.287-297
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2022
This paper presents experimental and analytical studies on the lateral cyclic behavior of RC columns actively confined with iron-based shape memory alloy (Fe-SMA) strips. Based on the Anexperimental study, we investigated the effectiveness of active confinement through compression testings of concrete cylinders confined by Fe SMA strips and carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) sheets. The test results showed that the specimens confined with Fe SMA strips significantly increased the deformation capacity of the concrete, even under lower confining pressures, compared to those specimensconfined with CFRP sheets. The experimental results were used to develop finite-element models of RC columns confined with Fe SMA or CFRP in their plastic-hinge region. After validating the proposed analytical model through comparison with the results from a previous RC column test, a series of lateral cyclic load analyses were carried out for the RC columns confined with Fe SMA and CFRP. The analytical results revealed that the lateral cyclic behavior of the Fe SMA-confined column was greatly enhanced in terms of deformation and energy dissipation capacities compared with tothat of the as-built and CFRP-confined columns.
This study presents an experiment and analysis to compare the seismic behavior of full-scale reinforced concrete beam-column joint strengthened by prestressed steel strips, externally bonded steel plate, and CFRP sheets. For experimental investigation, five specimens, including one joint without any retrofitting, one joint retrofitted by externally bonded steel plate, one joint retrofitted by CFRP sheets, and two joints retrofitted by prestressed steel strips, were tested under cyclic-reserve loading. The failure mode, strain response, shear deformation, hysteresis behavior, energy dissipation capacity, stiffness degradation and damage indexes of all specimens were analyzed according to experimental study. It was found that prestressed steel strips, steel plate and CFRP sheets improved shear resistance, energy dissipation capacity, stiffness degradation behavior and reduced the shear deformation of the joint core area, as well as changed the failure pattern of the specimen, which led to the failure mode changed from the combination of flexural failure of beams and shear failure of joints core to the flexural failure of beams. In addition, the beam-column joint retrofitted by steel plate exhibited a high bearing capacity, energy consumption capacity and low damage index compared with the joint strengthened by prestressed steel strip, and the prestressed steel strips reinforced joint showed a high strength, energy dissipation capacity and low shear deformation, stirrups strains and damage index compared to the CFRP reinforced joint, which indicated that the frame joints strengthened with steel plate exhibited the most excellent seismic behavior, followed by the prestressed steel strips.
Nowadays using Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) has been expanded in strengthening steel structures. Given that few studies have taken about strengthening of steel hollow pipe sections using CFRP, in present study, the effects of CFRP sheets using two layers as well as in combination with additional reinforcing strips has been assessment. Strengthening of five specimens was carried out in laboratory tests. As well as numerical simulation was performed for all specimens by Finite Element Method (FEM) using ABAQUS software and high correlation between the results of numerical models with experimental data indicate the power of FEM in this field. The results of both laboratory and simulated specimens showed that load-bearing capacity of circular cross-sections can be significantly increased using CFRP retrofitting technique. Also, application of additional CFRP reinforcing strips and layers caused more strength for the strengthened specimens.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.8
no.2
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pp.117-128
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2014
Numerous investigations of RC beams strengthened in shear with externally-bonded (EB) fibre-reinforced polymer (FRP) sheets, plates and strips have been successfully conducted in recent years. These valuable studies have highlighted a number of influencing parameters that are not captured by the design guidelines. The objective of this study was: (1) to highlight experimentally and analytically the influential parameters on the shear contribution of FRP to RC beams strengthened in shear using EB FRP sheets and strips; and (2) to develop a set of transparent, coherent, and evolutionary design equations to calculate the shear resistance of RC beams strengthened in shear. In the experimental part of this study, 12 tests were performed on 4,520-mm-long T-beams. The specimens were strengthened in shear using carbon FRP (CFRP) strips and sheets. The test variables were: (1) the presence or absence of internal transverse-steel reinforcement; (2) use of FRP sheets versus FRP strips; and (3) the axial rigidity of the EB FRP reinforcement. In the analytical part of this study, new design equations were proposed to consider the effect of transverse-steel in addition to other influential parameters on the shear contribution of FRP. The accuracy of the proposed equations has been verified in this study by predicting the FRP shear contribution of experimentally tested RC beams.
Sakr, Mohammed A.;El-khoriby, Saher R.;Khalifa, Tarek M.;Nagib, Mohammed T.
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.3
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pp.407-417
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2017
RC shear walls are considered one of the main lateral resisting members in buildings. In recent years, FRP has been widely utilized in order to strengthen and retrofit concrete structures. A number of experimental studies used CFRP sheets as an external bracing system for retrofitting of RC shear walls. It has been found that the common mode of failure is the debonding of the CFRP-concrete adhesive material. In this study, behavior of RC shear wall was investigated with three different micro models. The analysis included 2D model using plane stress element, 3D model using shell element and 3D model using solid element. To allow for the debonding mode of failure, the adhesive layer was modeled using cohesive surface-to-surface interaction model at 3D analysis model and node-to-node interaction method using Cartesian elastic-plastic connector element at 2D analysis model. The FE model results are validated comparing the experimental results in the literature. It is shown that the proposed FE model can predict the modes of failure due to debonding of CFRP and behavior of CFRP strengthened RC shear wall reasonably well. Additionally, using 2D plane stress model, many parameters on the behavior of the cohesive surfaces are investigated such as fracture energy, interfacial shear stress, partial bonding, proposed CFRP anchor location and using different bracing of CFRP strips. Using two anchors near end of each diagonal CFRP strips delay the end debonding and increase the ductility for RC shear walls.
Extensive research work has been performed on shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams retrofitted with externally bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) in form of strips. However, most of this research work is experimental and very scarce studies are available on numerical modelling of such beams due to truly challenging nature of modelling concrete shear cracking and interfacial interaction between components of such beams. This paper presents an appropriate model for RC beam and to simulate its cracking without numerical computational difficulties, convergence and solution degradation problems. Modelling of steel and CFRP and their interfacial interaction with concrete are discussed. Finally, commercially available non-linear finite element software ABAQUS is used to validate the developed finite element model with key tests performed on full scale T-beams with and without CFRP retrofitting, taken from previous extensive research work. The modelling parameters for bonding behavior of CFRP with special anchors are also proposed. The results presented in this research work illustrate that appropriate modelling of bond behavior of all the three types of interfaces is important in order to correctly simulate the shear behavior of RC beams strengthened with CFRP.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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