The possibilities of non-linear analysis of reinforced-concrete structures are under development. In particular, current research areas include structural analysis with the application of advanced computational and material models. The submitted article aims to evaluate the possibilities of the determination of material properties, involving the tensile strength of concrete, fracture energy and the modulus of elasticity. To evaluate the recommendations for concrete, volume computational models are employed on a comprehensive series of tests. The article particularly deals with the issue of the specific properties of fracture-plastic material models. This information is often unavailable. The determination of material properties is based on the recommendations of Model Code 1990, Model Code 2010 and specialized literature. For numerical modelling, the experiments with the so called "classic" concrete beams executed by Bresler and Scordelis were selected. It is also based on the series of experiments executed by Vecchio. The experiments involve a large number of reinforcement, cross-section and span variants, which subsequently enabled a wider verification and discussion of the usability of the non-linear analysis and constitutive concrete model selected.
Mehmet Fethi Ertenli;Erdal Erdal;Alper Buyukkaragoz;Ilker Kalkan;Ceyhun Aksoylu;Yasin Onuralp Ozkilic
Steel and Composite Structures
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제46권5호
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pp.709-718
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2023
The absence of an important portion of the web plate in steel beams with multiple circular perforations, cellular beams, causes the web plate to undergo distortions prior to and during lateral torsional buckling (LTB). The conventional LTB equations in the codes and literature underestimate the buckling moments of cellular beams due to web distortions. The present study is an attempt to develop analytical methods for estimating the elastic buckling moments of cellular beams. The proposed methods rely on the reductions in the torsional and warping rigidities of the beams due to web distortions and the reductions in the weak-axis bending and torsional rigidities due to the presence of web openings. To test the accuracy of the analytical estimates from proposed solutions, a total of 114 finite element analyses were conducted for six different standard IPEO sections and varying unbraced lengths within the elastic limits. These analyses clearly indicated that the LTB solutions in the AISC 360-16 and AS4100:2020 codes overestimate the buckling loads of cellular beams within elastic limits, particularly at shorter span lengths. The LDB solutions in the literature and the Eurocode 3 LTB solution, on the other hand, provided conservative buckling moment estimates along the entire range of elastic buckling.
Mohammad Reza Halvaeyfar;Ehsanollah Zeighami;S. Mohammad Mirhosseini;Ali Hassani Joshaghani
Structural Engineering and Mechanics
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제87권4호
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pp.375-389
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2023
In many fiber concrete beams with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), debonding occurs between the carbon sheets and the concrete due to the low strength of the bonding resin. A total of 42 fiber concrete beams with a cross-section of 10×10 cm with a span length of 50 cm are fabricated and retrofitted with CFRP and subjected to a 4-point bending test. Graphene Oxide (GO) at 1, 2, and 3 wt% of the resin is used to improve the mechanical properties of the bonding resins, and the effect of length, width, and the number of layers of CFRP and resin material are investigated. The crack pattern, failure mode, and stress-strain curve are analyzed and compared in each case. The results showed that adding GO to polyamine resin could improve the bonding between the resin and the fiber concrete beam. Furthermore, the optimum amount of nanomaterials is equal to 2% by the weight of the resin. Using 2% nanomaterials showed that by increasing the length, width, and number of layers, the bearing and stiffness of fiber concrete beams increased significantly.
On mesoscopic level, concrete can be treated as a three-phase composite material consisting of mortar, aggregates and interfacial transition zone (ITZ) between mortar and aggregate. A lot of research has confirmed that ITZ plays a crucial role in the mechanical fracture process of concrete. The aim of the present study is to propose a numerical method on mesoscale to analyze the failure mechanism of reinforced concrete (RC) structures under mechanical loading, and then it will help precisely predict the damage or the cracking initiation and propagation of concrete. Concrete is meshed by means of the Rigid Body Spring Model (RBSM) concept, while the reinforcing steel bars are modeled as beam-type elements. Two kinds of RC members, i.e. subjected to uniaxial tension and beams under bending, the fracture process of concrete and the distribution of cracks, as well as the load-deflection relationships are investigated and compared with the available test results. It is found that the numerical results are in good agreement with the experimental observations, indicating that the model can successfully simulate the failure process of the RC members.
Since the mechanical properties of cement-based materials are time-dependent due to the prolonged cement hydration process, those of fiber reinforced concrete(FRC) may also be time-dependent. Toughness is one of important properties of FRC. Therefore, it should be investigated toughness development of FRCs with curing ages to fully understand the time-dependent characteristics of FRCs. To this end, the effect of curing ages on flexural toughness development of steel fiber reinforced concrete is studied. Three point bending test with notched beam specimen was adapted for this study. Hooked-end steel fiber(DRAMIX 40/30) was used as a fiber ingredient to investigate w/c ratio and fiber volume fraction effect on toughness development during curing. Three different water-cement ratios(0.44, 0.5 and 0.6) and fiber volume fractions(0%, 0.5% and 1%) were used as influence factors. Each mixture specimens were tested at five different ages, 0.5, 1, 3, 7 and 28 days. The study shows that flexure toughness development with age is quite different than other concrete material properties such as compressive strength. The study also shows that the toughness development trend correlates more closely to water/cement ratio than to fiber volume fraction.
Ultra-lightweight cement composite (ULCC) with a compressive strength of 60 MPa and density of $1450kg/m^3$ has been developed and used in the steel-concrete-steel (SCS) sandwich structures. ULCC was adopted as the core material in the SCS sandwich composite beams to reduce the overall structural weight. Headed shear studs working in pairs with overlapped lengths were used to achieve composite action between the core material and steel face plates. Nine quasi-static tests on this type of SCS sandwich composite beams were carried out to evaluate their ultimate strength performances. Different parameters influencing the ultimate strength of the SCS sandwich composite beams were studied and discussed. Design equations were developed to predict the ultimate resistance of the cross section due to pure bending, pure shear and combined action between shear and moment. Effective stiffness of the sandwich composite beam section is also derived to predict the elastic deflection under service load. Finally, the design equations were validated by the test results.
An experimental program was carried out to investigate the influence of fibre reinforcement on the mechanical behaviour of high strength reinforced concrete beams. Eighteen beams, loaded in four-point bending tests, were examined by applying monotonically increasing controlled displacements and recording the response in terms of load-deflection curves up to failure. The major test variables were the volume fraction of steel fibres and the transverse steel amount for two different values of shear span. The contribution of the stirrups to the shear strength was derived from the deformations of their vertical legs, measured by means of strain gauges. The structural response of the tested beams was analyzed to evaluate strength, stiffness, energy absorption capacity and failure mode. The experimental results and observed behaviour are in good agreement with those obtained by other authors, confirming that an adequate amount of steel fibres in the concrete can be an alternative solution for minimizing the density of transverse reinforcement. However, the paper shows that the use of different theoretical or semi-empirical models, available in literature, leads to different predictions of the ultimate load in the case of dominant shear failure mode.
Modulus of elasticity, modulus of rigidity, damping ratio, and natural frequency of three varieties of boxthorn(Lycium chinense Mill) (Cheongyang #2, Cheongyang gugija, and Cheongyang native) branches were analyzed. Modulus of elasticity and modulus of rigidity of the boxthorn branch was determined using standard formula after simple beam bending and torsion test, respectively, using an universal testing machine. Damping ratio and natural frequency of branches were determined using a system consisted of an accelerometer, a PC equipped with A/D converter, and a software for data analysis. Relationship between the elastic modulus and branch diameter in overall varieties and branch types showed a good correlation (r$\cong$-0.81). There was, however, no correlation between torsional rigidity and branch diameter. The internal damping results were highly variable and the overall range of the damping ratio of the boxthorn branch was 0.014 -0.087, which indicated that the branch was a lightly damped structure. The natural frequency of the boxthorn branch was in the range of 89-363 rad/s for the overall varieties and branch types. A good correlation (r$\cong$0.82) existed between the natural frequency and branch diameter in overall varieties and branch type.
Sandwich composites made of glass fabric epoxy facesheets with aluminum honeycomb core or balsa core is considered for the structural design of bodyshell of a Korean Low Floor Bus. Initially, in order to select the optimal facesheet and core materials in design stage, the flexural response of a sandwich composite is a critical importance. In this study, theoretical formula which could easily and quickly evaluate and obtain the flexural responses such as deflection and flexural stiffness of a sandwich composite subjected to external load was established. This theory could calculate the flexural responses of sandwich composites with narrow as well as wide width and with facesheets of unequal thickness, and also distinguish between the bending and shear effects of deflection. Finite element analysis using ANSYS V10.0 was used to offer the best elements for real sandwich composites, and flexural test according to ASTM C393 was conducted to compare with the results of theoretical formula and finite element analysis. The results show that the flexural responses of sandwich composites using proposed theoretical formula is in good agreement with those of experiment and finite element method.
This paper presents the design, fabrication and performance of a reinforced concrete beam strengthened by GFRP box plate and its possibility for structural rehabilitations. The load capacity, ductility and failure mode of reinforced concrete structures strengthened by FRP box plate were investigated and compared with traditional FRP plate strengthening method. This is intended to assess the feasibility of using FRP box plate for repair and strengthening of damaged RC beams. A series of four-point bending tests were conducted on RC beams with or without strengthening FRP systems the influence of concrete cover thickness on the performance of overall stiffness of the structure. The parameters obtained by the experimental studies were the stiffness, strength, crack width and pattern, failure mode, respectively. The test yielded complete load-deflection curves from which the increase in load capacity and the failure mode was evaluated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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