Composite beams using bolts to attach steel plates to the side faces of existing reinforced concrete (RC) coupling beams can enhance both their strength and deformability. The behavior of those composite beams differs substantially from the behavior of typical composite beams made up of steel beams and concrete slabs. The former are subjected to longitudinal, vertical and rotational slips, while the latter only involve longitudinal slip. In this study, a mixed analysis method was adopted to develop the fundamental equations for accurate prediction of the load-carrying capacity of steel plate strengthened RC coupling beams. Then, a rigid plastic analysis technique was used to cope with the full composite effect of the bolt group connections. Two theoretical models for the determination of the strength of medium-length plate strengthened coupling beams based on mixed analysis and rigid plastic methods are presented. The strength of the strengthened coupling beams is derived. The vertical and longitudinal slips of the steel plates and the shear strength of the anchor-bolt connection group is considered. The theoretical models are validated by the available experimental results presented in a companion paper. The strength of the specimens predicted from the mixed analysis model is found to be in good agreement with that from the experimental results.
In Special Concentrically Braced Frames (SCBFs), vertical and horizontal components of the brace force must be resisted by column and beam, respectively but normal force component existing at the gusset plate-to-column and beam interfaces, creates out-of-plane action making distortion in column and beam faces adjacent to the gusset plate. It is a main concern in Hollow Structural Section (HSS) columns and beams where their webs and gusset plate are not in the same plane. In this paper, a new gusset plate passing through the HSS columns and beams, named as through gusset plate, is proposed to study the force transfer mechanism in such gusset plates of SCBFs compared to the case with conventional gusset plates. For this purpose, twelve SCBFs with diagonal brace and HSS columns and twelve SCBFs with chevron brace and HSS columns and beams are considered. For each frame, two cases are considered, one with through gusset plates and the other with conventional ones. Based on numerical results, using through gusset plates prevents distortion and out-of-plane deformation at HSS column and beam faces adjacent to the gusset plate helping the entire column and beam cross-sections to resist respectively vertical and horizontal components of the brace force. Moreover, its application increases energy dissipation, lateral stiffness and strength around 28%, 40% and 32%, respectively, improving connection behavior and raising the resistance of the normal force components at the gusset plate-to-HSS column and beam interfaces to approximately 4 and 3.5 times, respectively. Finally, using such through gusset plates leads to better structural performance particularly for HSS columns and beams with larger width-to-thickness ratio elements.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1999.10a
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pp.729-732
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1999
In this paper, the Mohr-Coulomb criterion was adopted to predict the bonding failure load of the reinforced concrete beams strengthened by the externally bonded steel plates. Based on this criterion, a nonlinear analysis program of APSB(Analysis Program for Strengthened Beams) and nonlinear finite element analysis program of RCSD-SB (Reinforced Concrete Structural Design - Strengthened Beams) were developed. Numerical results were then compared with experimental results and good agreements were obtained.
Park Jong Sup;Park Young Hwan;You Young Jun;Jung Woo Tae
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.05a
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pp.72-75
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2004
Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) composites are widely applied to strengthen deteriorated concrete structures. This paper presents the experimental results of the performance of reinforced concrete(RC) beams strengthened with externally prestressed CFRP plates. Simple beams with 3 m span length were tested to investigate the effect of prestressing force of CFRP plates on the flexural behavior of externally strengthened RC beams.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2000.04a
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pp.739-744
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2000
The aim of this research is to investigate and to compare the shear strengthening effects of steel plates and glass fiber sheets(GFS). Shear damaged beams were repaired by steel plates and GFS. Thickness of steel plates and strengthening type of GFS were taken as the parameters. With loading, the development and propagation of cracks, failure mode and deformation of strengthening materials were checked. The ultimate load was compared with formulas proposed by previous researchers.
Ahmed, Marfique;Oehlers, Deric John;Bradford, Mark Andrew
Structural Engineering and Mechanics
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v.10
no.3
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pp.211-226
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2000
A procedure has been developed for bolting steel plates to the sides of existing reinforced concrete beams which can be used to increase the shear strength of beams, increase the flexural strength of beams with enhanced ductility or with only a small loss of ductility, and increase the stiffness of beams in order to reduce deflections and crack widths. It will be shown in this paper, through a qualitative analysis and through the results of testing eight large scale beams, that standard rigid plastic analysis techniques which are commonly used in the design of reinforced-concrete, steel, and composite steel and concrete beams cannot be used directly to design composite bolted-plated reinforced-concrete beams. In the companion paper, quantitative procedures will be used to adapt the standard rigid plastic analysis techniques for this relatively new form of retrofitting.
Perforated steel beams can be optimised by increased beam depth and the moment of inertia combined with a reduced web thickness, favouring the use of original I-section beams. The designers are often confronted with situations where optimisation cannot be carried out effectively, taking account of the buckling risk at web posts, moment-shear transfers and local plastic deformations on the transverse holes of the openings. The purpose of this study is to suggest solutions for reducing these failure risks of tested optimal designed beams under applying loads in a self-reacting frame. The design method for the beams is the hunting search optimisation technique, and the design constraints are implemented from BS 5950 provisions. Therefore, I have aimed to explore the strengthening effects of reinforced openings with ring stiffeners, welded vertical simple plates on the web posts and horizontal plates around the openings on the ultimate load carrying capacities of optimally designed perforated steel beams. Test results have shown that compared to lateral stiffeners, ring and vertical stiffeners significantly increase the loadcarrying capacity of perforated steel beams.
Strengthening of existing concrete structures is a major concern in recent years as the number of degraded structures increases. The purpose of this paper is to investigate the static and fatigue behavior of reinforced concrete (RC) beams strengthened with steel plates. To this end, a comprehensive test program has been set up and many series of strengthened beams have been tested. The major test variables include the plate thickness, adhesive thickness, and the shear-span to depth ratio. The test results indicate that the separation of plates is the dominant failure mechanism even for the full-span-length strengthened beams with steel plate. The theoretical ultimate load capacities for strengthened beams based on the full composite action of concrete beam and steel plate are found to be larger than the actual measured load capacities. The strengthened beams exhibit more dominant shear cracking as the shear-span to depth ratio decreases. The ultimate capacity of strengthened beams increases slightly with the increase of adhesive thickness, which may be caused by the late initiation of plate separation in the beams with thicker adhesive. A realistic concept of ductility for plate-strengthened beams is proposed in this study. It is seen that the strengthened beams show relatively low ductility compared with unstrengthened beams. The present study indicates that the strengthened beams exhibit much higher fatigue resistance than the unstrengthened beams. The increase of deflections of strengthened beams according to the number of load cycles is much smaller than that of unstrengthened beams. The present study provides very useful results for the realistic application of plate-strengthening method in reinforced concrete structures.
The purpose of this study is to evaluate the structural performance of DH beams. DH beam construction method uses thin steel plates as form-works and structural elements. The prefabricated plates and rebars of DH beams were transported to a construction site and erected for casting concrete at the site. In this study, the contribution of steel plates to the flexural strength was evaluated since the plates were expected to play a role as reinforcements. Five test specimens were made for experimental and analytical studies. They consisted of two DH beams for the positive moment test and two DH beams for the negative moment test and a RC beam for the comparison purpose. Test results on DH beams were compared with design equations and the RC beam test result. It was proven that DH beams demonstrated the good flexural behavior showing sufficient strengths and deformation capacities. Flexural strengths, principal strains of concrete, and rebar stresses were evaluated through nonlinear finite element analyses for two test beams. The analyses also showed that steel plates can contribute to the enhancement of flexural strength of DH beams. Based on experimental and analytical studies, it was concluded that steel plates of DH beams can be used as good flexural reinforcements.
In this paper, a total of 13 beams with bonding, anchorage system, amount of prestressing and span length as variables of experiment were tested in flexural test and analyzed in finite element analysis; one control beam, two simplified FRP-boned beams, four prestressed FRP-unbonded beams and four prestressed FRP-bonded beams. Also, a nonlinear finite element analysis of beams in the flexural test is performed by DIANA program considered material nonlinear of concrete, reinforcement and the interfacial bond-slip model between concrete and CFRP plates. The failure mode of prestressed CFRP plated-beams is not debonding but FRP rupture. RC members strengthened with external bonded prestressed CFRP plates occurred 1st and 2nd debonding of the composite material. After the debonding of CFRP plates occurs in bonded system, behavior of bonded CFRP-plated beams change into that of unbonded CFRP-plated beams due to fix of the anchorage system. Also, It was compared flexural test results and analytical results of RC members strengthened with CFRF plates. The ductility of beams strengthened by CFRP plates with the anchorage system is considered high with the ductility index of above 3. Analysis results showed a good agreement with experiment results in the debonding load, yield load and ultimate load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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