The flexural strengthening of reinforced concrete beams by external bonding of composite materials has proved to be an efficient and practical technique. This paper presents a study on the flexural performance of reinforced concrete continuous beams with three spans (one span and two cantilevered) strengthened by bonding carbon fiber fabric (CFRP). The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened continuous beam, i.e., the continuous concrete beam, the FRP plate and the adhesive layer. The adherend shear deformations have been included in the present theoretical analyses by assuming a linear shear stress through the thickness of the adherends. Remarkable effect of shear deformations of adherends has been noted in the results. The theoretical predictions are compared with other existing solutions that shows good agreement, and It shows the effectiveness of CFRP strips in enhancing shear capacity of continuous beam. It is shown that both the normal and shear stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam.
Over the last few decades, many researches have been conducted in order to find solution to the problem of corrosion in steel reinforced concrete. As a result, methods such as the use of stainless steel bars, epoxy coatings, and concrete additives, etc., have been tried. While effective in some situations, such remedies may still be unable to completely eliminate the problems of steel corrosion. Fiber reinforced polymer (FRP) elements are appealing as reinforcement due to some material properties such as high tensile strength, low density, and noncorrosive. However, due to the generally lower modulus of elasticity of FRP in comparison with the steel and the linear behavior of FRP, certain aspects of the structural behavior of RC members reinforced with FRP may be substantially different from similar elements reinforced with steel reinforcement. This paper presents the flexural behavior of one-way concrete slabs reinforced with FRP bars. They were simply supported and tested in the laboratory under static loading conditions to investigate their crack pattern and width, deflections, strains and mode of failure. The experimental results shows that behavior of the FRP reinforced slabs was bilinearly elastic until failure. Also, the results show that the FRP overreinforced concrete beams in this study can be safe for design in terms of deformability.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.4
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pp.375-387
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2004
A new finite element model will be presented to analyze the nonlinear behavior of RC beams and slabs strengthened by a patch repair. The numerical approach is based on the p-version degenerate shell element including theory of anisotropic laminated composites, theory of materially and geometrically nonlinear plates. In the nonlinear formulation of this model, the total Lagrangian formulation is adopted with large deflections and moderate rotations being accounted for in the sense of von Karman hypothesis. The material model is based on hardening rule, crushing condition, plate-end debonding strength model and so on. The Gauss-Lobatto numerical quadrature is applied to calculate the stresses at the nodal points instead of Gauss points. The validity of the proposed p-version nonlinear finite element model is demonstrated through the load-deflection curves, the ultimate loads, and the failure modes of RC beams or slabs bonded with steel plates or FRP plates compared with available result of experiment and other numerical methods.
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.8
no.2
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pp.113-119
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2008
Recently, fiber reinforced polymers(FRP) composite materials are used extensively in the rehabilitation of concrete structural members. A main application is to wrap beams and columns using the continuous fibers sheets to improve their strength and ductility. The corner chamfering affects significantly the performance of the continuous fibers sheets, and could lead to environmental problem with waste and dust. The main purpose of this paper is to verify the effect of corner conditions on the strength of the continuous fiber sheets, and to introduce new attached components which can avoid environmental problem. A total of 15 specimens were tested and carefully checked for three types of continuous fiber sheets(carbon, glass, and aramid) and three types of corner conditions(non-chamfering, chamfering, and device attaching). It is proved that the devices proposed in this research have some capabilities to use for RC member. But additional research will be needed for commercializing.
A simple closed-form solution to calculate the interfacial shear and normal stresses of retrofitted concrete beam strengthened with thin composite plate under mechanical loads including the creep and shrinkage effect has been presented in this paper. In such plated beams, tensile forces develop in the bonded plate, and these have to be transferred to the original beam via interfacial shear and normal stresses. Consequently, debonding failure may occur at the plate ends due to a combination of high shear and normal interfacial stresses. These stresses between a beam and a soffit plate, within the linear elastic range, have been addressed by numerous analytical investigations. Surprisingly, none of these investigations has examined interfacial stresses while taking the creep and shrinkage effect into account. In the present theoretical analysis for the interfacial stresses between reinforced concrete beam and a thin composite plate bonded to its soffit, the influence of creep and shrinkage effect relative to the time of the casting, and the time of the loading of the beams is taken into account. Numerical results from the present analysis are presented both to demonstrate the advantages of the present solution over existing ones and to illustrate the main characteristics of interfacial stress distributions.
Torres, Lluis;Barris, Cristina;Kaklauskas, Gintaris;Gribniak, Viktor
Structural Engineering and Mechanics
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v.53
no.5
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pp.997-1016
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2015
The contribution of tensioned concrete between cracks (tension-stiffening) cannot be ignored when analysing deformation of reinforced concrete elements. The tension-stiffening effect is crucial when it comes to adequately estimating the load-deformation response of steel reinforced concrete and the more recently appeared fibre reinforced polymer (FRP) reinforced concrete. This paper presents a unified methodology for numerical modelling of the tension-stiffening effect in steel as well as FRP reinforced flexural members using the concept of equivalent deformation modulus and the smeared crack approach to obtain a modified stress-strain relation of the reinforcement. A closed-form solution for the equivalent secant modulus of deformation of the tensioned reinforcement is proposed for rectangular sections taking the Eurocode 2 curvature prediction technique as the reference. Using equations based on general principles of structural mechanics, the main influencing parameters are obtained. It is found that the ratio between the equivalent stiffness and the initial stiffness basically depends on the product of the modular ratio and reinforcement ratio ($n{\rho}$), the effective-to-total depth ratio (d/h), and the level of loading. The proposed methodology is adequate for numerical modelling of tension-stiffening for different FRP and steel reinforcement, under both service and ultimate conditions. Comparison of the predicted and experimental data obtained by the authors indicates that the proposed methodology is capable to adequately model the tension-stiffening effect in beams reinforced with FRP or steel bars within wide range of loading.
Recently, various strengthening methods using carbon fiber sheets (CFS) have been developed for the rehabilitation of structures and applied to the concrete member. However, still research need arises in order to verify the structural capacity of RC member which experienced bond loss between concrete and CFS after strengthening. This is because previous research has focused on the development of design process and evaluation of structural capacity only for retrofit. The appearance of this loss may be initiated at just after retrofit construction. And it will be more serious when the layer number of CFS increases. In order to minimize above mistake in retrofit design using CFS, more exact evaluation process to predict the bond loss of CFS is required. The objective of this research is to study the variation of flexural structural capacity of beam which has experienced bond loss after strengthening using CFS. Experimental and analytical study are performed and evaluation of the previous formula is conducted. Test result showed that the significant strength deterioration was not found until the bond loss of 20%. Overall structural behavior of the beams can be predicted by nonlinear sectional analysis.
High quality and expedient processing repair methods are necessary to enhance the service life of bridge structures. Deterioration of concrete can occur as a result of structural cracks, corrosion of reinforcement, and freeze.thaw cycles. Cost effective methods with potential for field implementation are necessary to address the issue of the vulnerability of bridge structures and how to repair them. Most infrastructure related applications of fiber-reinforced plastics (FRPs) use traditional hand lay-up technology. The hand lay-up is tedious, labor-intensive and relies upon personnel skill level. An alternative to traditional hand lay-up of FRP for infrastructure applications is Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM). VARTM uses single sided molding technology to infuse resin over fabrics wrapping large structures, such as bridge girders and columns. There is no work currently available in understanding the interface developed, when VARTM processing is adopted to wrap fibers such as carbon and/or glass over concrete structures. This paper investigates the interface formed by carbon fiber processed on to a concrete surface using the VARTM technique. Various surface treatments, including sandblasting, were performed to study the pull-off tensile test to find a potential prepared surface. A single-lap shear test was used to study the bond strength of CFRP fabric/epoxy composite adhered to concrete. Carbon fiber wraps incorporating Sikadur HEX 103C and low viscosity epoxy resin Sikadur 300 were considered in VARTM processing of concrete specimens.
Providakis, C.P.;Triantafillou, T.C.;Karabalis, D.;Papanicolaou, A.;Stefanaki, K.;Tsantilis, A.;Tzoura, E.
Smart Structures and Systems
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v.14
no.5
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pp.811-830
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2014
A numerical study has been carried out to simulate an innovative monitoring procedure to detect and localize damage in reinforced concrete beams retrofitted with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) unidirectional laminates. The main novelty of the present simulation is its ability to conduct the electromechanical admittance monitoring technique by considerably compressing the amount of data required for damage detection and localization. A FEM simulation of electromechanical admittance-based sensing technique was employed by applying lead zirconate titanate (PZT) transducers to acquire impedance spectrum signatures. Response surface methodology (RSM) is finally adopted as a tool for solving inverse problems to estimate the location and size of damaged areas from the relationship between damage and electromechanical admittance changes computed at PZT transducer surfaces. This statistical metamodel technique allows polynomial models to be produced without requiring complicated modeling or numerous data sets after the generation of damage, leading to considerably lower cost of creating diagnostic database. Finally, a numerical example is carried out regarding a steel-reinforced concrete (RC) beam model monotonically loaded up to its failure which is also retrofitted by a CFRP laminate to verify the validity of the present metamodeling monitoring technique. The load-carrying capacity of concrete is predicted in the present paper by utilizing an Ottosen-type failure surface in order to better take into account the passive confinement behavior of retrofitted concrete material under the application of FRP laminate.
Kim, Kang Seok;Nah, Hwan Seon;Kim, Kang Sik;Lee, Hyeon Ju;Lee, Kang Min
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.2
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pp.61-69
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2011
Fiber Reinforced Plastic (FRP) sheets have been widely used to retrofit and rehabilitate RC structures, while in case of retrofitting steel structures, there are no codes and researches. It stems from configuration of member and characteristics of bonding behavior. This study focused on the static behavior of steel beams reinforcement by AFRP sheets. The main objective of the experimental programme was the evaluation of the force transfer mechanism, the increment of the beam load carrying capacity and the bending stiffness. A bending test was conducted on a H-shaped steel beam, with aramid FRP sheets bonded to its flanges. The mid-span deflection and the strain from three points along AFRP sheets were recorded Test results exhibit that the increment of the load-carrying capacity with reference to a mid-span deflection level of 15 mm(1/125mm of the clear span) was equal to 9.4% and for the two layers case, an elastic stiffness increment is slightly higher than one layer case.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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