The flexural behavior of Fiber reinforced polymer (FRP) sheets has gained much research interest in the flexural strengthening of reinforced concrete beams. The study on flexure includes various parameters like increase in strength of the member due to the externally bonded (EB) Fiber reinforced polymer, crack patterns, debonding of the fiber from the structure, scaling, convenience of using the fibers, cost effectiveness, etc. The present work aims to study experimentally about the reasons behind the failure due to flexure of an externally bonded FRP concrete beam. In the design of FRP-reinforced concrete structures, deflection control is as critical as much as flexural strength. A numerical model is created using Finite element (FEM) software and the results are compared with that of the experiment.
Rami A. Hawileh;Maha A. Assad;Jamal A. Abdalla; M. Z. Naser
Computers and Concrete
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제33권2호
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pp.163-173
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2024
Fiber-reinforced polymers (FRP) have a proven strength enhancement capability when installed into Reinforced Concrete (RC) beams. The brittle failure of traditional FRP strengthening systems has attracted researchers to develop novel materials with improved strength and ductility properties. One such material is that known as polyethylene terephthalate (PET). This study presents a numerical investigation of the flexural behavior of reinforced concrete beams externally strengthened with PET-FRP systems. This material is distinguished by its large rupture strain, leading to an improvement in the ductility of the strengthened structural members compared to conventional FRPs. A three-dimensional (3-D) finite element (FE) model is developed in this study to predict the load-deflection response of a series of experimentally tested beams published in the literature. The numerical model incorporates constitutive material laws and bond-slip behavior between concrete and the strengthening system. Moreover, the validated model was applied in a parametric study to inspect the effect of concrete compressive strength, PET-FRP sheet length, and reinforcing steel bar diameter on the overall performance of concrete beams externally strengthened with PET-FRP.
For the Externally bonded FRP systems, flexural design method is studied focusing on the reinforcement layer of the carbon fiber sheets. As the FRP layer is added, strengthening rate increases, but not proportionally as the FRP layer increases. This is reflected in the design formula appropriately by the bond cofficients from the added layers. As the number of FRP layer increases, the stress reinforcement and FRP sheet decreases, and it generally corresponds to the decrease rate of member flexural strength. This phenomenon is appearing indentically in a design formula and experimental result. The rate of $M_{test}$ and $M_n$ is 1.19 and it is estimated as safety factor which is the reduction factor, ${\psi}_f = 0.85$.
Conventional reinforced concrete design codes assume ideal strain evolution in semi-deep beams with externally bonded fiber-reinforced polymer (EB-FRP) web strips. However, there is a strain interaction between internal stirrups and web strips, leading to a notable difference between code-based and experimental shear strengths. Current study provides an experiment-verified detailed numerical framework to assess the potential strain interaction under quasi-static monotonic load. Based on the observations, steel stirrups are effective only for low EB-FRP amounts and the over-strengthening of semi-deep beams prevents the stirrups from yielding, reducing its shear strength contribution. A notable difference is detected between the code-based and the study-based EB-FRP strain values, which is a function of the normalized FRP stress parameter. Semi-analytical relations are proposed to estimate the effective strain and stress of the components considering the potential strain interaction. For the sake of simplification, a linearized correction factor is proposed for the EB-FRP web strip strain, assuming its restraining effect as constant for all steel stirrup amounts.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제7권1호
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pp.17-33
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2013
The most recent report by ACI Committee 440 on externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) strengthening systems states that systems designed to mechanically anchor FRP should be studied in detail and substantiated by physical testing. To select and design an appropriate anchorage system for use in an FRP strengthening system, it is important that findings from previous research studies be known. This paper presents a comprehensive literature review of the performance of different mechanical anchorage systems used in FRP strengthening applications. Each anchorage system is discussed in terms of its purpose and performance. Advantages and disadvantages of each system are discussed, and areas in need of future research are explored.
Ben Ouezdou, Mongi;Belarbi, Abdeldjelil;Bae, Sang-Wook
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제3권2호
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pp.127-131
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2009
Strengthening and repair of concrete structures using externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) composite sheets has been popular around the world during the last two decades. However, premature failure due to debonding of the FRP is one of the important issues still to be resolved. Numerous research studies have dealt with the debonding problem in terms of Effective Bond Length (EBL), however, determination of this length has not yet been completely assessed. This paper summarizes previous works on the EBL and proposes a new relationship of the EBL with the FRP stiffness based on the existing experimental data collected in this study.
Hamdy, Gehan A.;Kamal, Osama A.;El-Hariri, Mohamed O.R.;El-Salakawy, Tarik S.
Structural Engineering and Mechanics
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제65권5호
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pp.611-619
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2018
This paper addresses numerical modeling and nonlinear analysis of unreinforced masonry walls and vaults externally strengthened using fiber reinforced polymers (FRP). The aim of the research is to provide a simple method for design of strengthening interventions for masonry arched structures while considering the nonlinear behavior. Several brick masonry walls and vaults externally strengthened by FRP which have been previously tested experimentally are modeled using finite elements. Numerical modeling and nonlinear analysis are performed using commercial software. Description of the modeling, material characterization and solution parameters are given. The obtained numerical results demonstrate that externally applied FRP strengthening increased the ultimate capacity of the walls and vaults and improved their failure mode. The numerical results are in good agreement with the experimentally obtained ultimate failure load, maximum displacement and crack pattern; which demonstrates the capability of the proposed modeling scheme to simulate efficiently the actual behavior of FRP-strengthened masonry elements. Application is made on a historic masonry dome and the numerical analysis managed to explain its structural behavior before and after strengthening. The modeling approach may thus be regarded a practical and valid tool for design of strengthening interventions for contemporary or historic unreinforced masonry elements using externally bonded FRP.
철근콘크리트 구조물은 일반적으로 재료적 특성에 따른 크리프 및 건조수축으로 인하여 장기변형이 발생하며, 이러한 변형으로 인한 구조물의 처짐을 허용 한계 이하로 유지시키는 것이 사용성 확보 측면에서 중요하다 할 수 있다. 노후된 RC보의 성능 개선을 위하여 다양항 보수 보강 방법이 사용되고 있으며 이중 대표적인 방법으로 FRP 외부부착 공법이 있다. 재료적인 성질이 우수한 FRP는 RC구조물의 보강 재료로써 현재 널리 사용되고 있으며, 일시적인 하중 뿐만 아니라 지속 하중 하에서도 향상된 보강 성능을 제공해야 한다. 따라서 FRP가 외부 부착된 RC 부재에 지속 하중이 작용할 때 콘크리트의 크리프 및 건조수축의 영향으로 인한 시간 의존적 장기 거동을 정확히 예측하는 방법이 필요하다. 본 논문에서는 FRP가 외부 부착된 RC보의 장기 처짐 예측을 위해서, CFRP와 GFRP로 보강된 실험체를 제작하고, 25 kN의 지속하중을 470일간 가하여 시간 변화에 따른 처짐을 측정하였다. 또한, 이러한 처짐의 예측을 위하여 ACI-209 code 및 CEB-FIP code에 근거하여 크리프계수와 건조수축변형률을 산정하였으며, EMM과 AEMM을 사용한 ACI-318기준, Branson's method 그리고, Mayer's method를 사용하여 FRP가 외부 부착된 RC보의 장기 처짐을 예측하였다. 실험 결과, CFRP보 보강된 실험체가 가장 높은 장기 사용성을 보였으며, Mayer's method가 장기처짐에 대한 실험값을 가장 근사하게 예측한다는 것을 확인할 수 있었다.
This paper presents a new simple two-dimensional frame finite element able to accurately estimate the load-carrying capacity of reinforced concrete beams flexurally strengthened externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) strips and plates. The proposed analysis model considers distributed plasticity with layer-discretization of the cross-sections and the bond-slip behavior of epoxy layer. The proposed model is used to predict the load-carrying capacity and the applied load-midspan deflection response of RC beams subjected to bending loading. Numerical simulations and experimental measurements are compared based on numerous tests available in the literature and published by different authors. The numerically simulated response agree remarkably well with the corresponding experimental results. Thus, the proposed model is suitable for efficient and accurate modeling and analysis of flexural strengthening of RC beams with externally bonded FRP sheets/plates and for practical use in design-oriented parametric studies.
본 연구의 목적은 실험을 통하여 FRP를 이용한 철근콘크리트 부재의 표면매립 전단보강 효과를 규명하는 것이다. 연구목적을 달성하기 위하여, 3개의 철근콘크리트 T형 보를 제작하고 이중 두 개의 보에 대해서 표면매립 보강방법으로 FRP를 전단보강한 뒤 실험을 통하여 보강효과를 규명하였다. 실험에서 두 가지의 전단보강방법을 고려하였는데, 첫째 충분한 매립길이를 가진 표면매립 (NSM) 보강, 둘째 다소 짧은 표면매립길이를 가지지만 추가의 표면부착 (EB) 보강을 한 경우이다. 연구결과, FRP strip을 이용한 표면매립길이를 플랜지 하부까지 길게 확보할 경우에는 충분한 전단보강효과가 발휘되는 것으로 나타났다. 반면에 충분한 매립길이가 확보되지 않은 경우에는 FRP sheet로 추가 보강하더라도 전단보강효과가 나타나지 않는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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