Yilmaz, Semih;Karahasan, Olguhan Sevket;Altunisik, Ahmet Can;Vural, Nilhan;Demir, Serhat
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.6
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pp.737-750
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2022
Timber-Concrete Composite construction system consists of combining timber beam or deck and concrete with different connectors. Different fastener types are used in Timber-Concrete Composite systems. In this paper, the effects of two types of fasteners on structural behavior are compared. First, the notches were opened on timber beam, and combined with reinforced concrete slab by fasteners. This system is called as Notched Connection System. Then, timber beam and reinforced concrete slab were combined by new type designed fasteners in another model. This system is called as Notched-Slab Approach. Two laboratory models were constructed and bending tests were performed to examine the fasteners' effectiveness. Bending test results have shown that heavy damage to concrete slab occurs in Notched Connection System applications and the system becomes unusable. However, in Notched-Slab Approach applications, the damage concentrated on the fastener in the metal notch created in the slab, and no damage occurred in the concrete slab. In addition, non-destructive experimental measurements were conducted to determine the dynamic characteristics. To validate the experimental results, initial finite element models of both systems were constituted in ANSYS software using orthotropic material properties, and numerical dynamic characteristics were calculated. Finite element models of Timber-Concrete Composite systems are updated to minimize the differences by manual model updating procedure using some uncertain parameters such as material properties and boundary conditions.
A coupled experimental and numerical study of shear fracture in the edge-notched beam specimens of quasi-brittle materials (concrete-like materials) are carried out using four point bending flexural tests. The crack initiation, propagation and breaking process of beam specimens are experimentally studied by producing the double inclined edge notches with different ligament angles in beams under four point bending. The effects of ligament angles on the shear fracturing path in the bridge areas of the double edge-notched beam specimens are studied. Moreover, the influence of the inclined edge notches on the shear-fracture behavior of double edge-notched beam specimens which represents a practical crack orientation is investigated. The same specimens are numerically simulated by an indirect boundary element method known as displacement discontinuity method. These numerical results are compared with the performed experimental results proving the accuracy and validity of the proposed study.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.1
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pp.160-170
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2002
Many of aged and damaged concrete structure have been revitalized with composite reinforcement. Flexural behaviors of composite-patched concrete specimens are characterized by high-sensitivity moire interferometry. The three-mirror, four-beam interferometry system and a compact loading system are used for obtaining singe patterns representing whole-field contour maps of in-plane displacements. It is seen from the calibration test for the loading system that the measured bending displacement is in excellent agreement with the displacement calculated by the beam theory. The crack opening displacement as well as the bending and the horizontal displacement fur the notched and unnotched specimen are investigated. The results also show that the notched specimen reinforced by a composite sheet has sufficient stiffness and strength compared to the original concrete specimen.
This study proposed a new and efficient 2D damage-plasticity model within the framework of Isogeometric analysis (IGA) for the geometrically nonlinear damage analysis of concrete. Since concrete exhibits complicated material properties, two internal variables are introduced to measure the hardening/softening behavior of concrete in tension and compression, and an implicit gradient-enhanced formulation is adopted to restore the well-posedness of the boundary value problem. The numerical results calculated by the model is compared with the experimental data of three benchmark problems of plain concrete (three-point and four-point bending single-notched beams and four-point bending double-notched beam) to illustrate the geometrical flexibility, accuracy, and robustness of the proposed approach. In addition, the influence of the characteristic length on the numerical results of each problem is investigated.
Lightweight concrete is a superior material due to its light weight and high strength. There however remain significant lacunae in engineering knowledge with regards to shear failure of lightweight fiber reinforced concrete beams. The main aim of the present study is to investigate the optimum usage of steel fibers in lightweight fiber reinforced concrete (LWFRC). Multi-scale finite element model calibrated with experimental results is developed to study the effect of steel fibers on the mechanical properties of LWFRC beams. To decrease the amount of steel fibers, it is preferred to reinforce only the middle section of the LWFRC beams, where the flexural stresses are higher. For numerical simulation, a multi-scale finite element model was developed. The cement matrix was modeled as homogeneous and uniform material and both steel fibers and lightweight coarse aggregates were randomly distributed within the matrix. Considering more realistic assumptions, the bonding between fibers and cement matrix was considered with the Cohesive Zone Model (CZM) and its parameters were determined using the model update method. Furthermore, conformity of Load-Crack Mouth Opening Displacement (CMOD) curves obtained from numerical modeling and experimental test results of notched beams under center-point loading tests were investigated. Validating the finite element model results with experimental tests, the effects of fibers' volume fraction, and the length of the reinforced middle section, on flexural and residual strengths of LWFRC, were studied. Results indicate that using steel fibers in a specified length of the concrete beam with high flexural stresses, and considerable savings can be achieved in using steel fibers. Reducing the length of the reinforced middle section from 50 to 30 cm in specimens containing 10 kg/m3 of steel fibers, resulting in a considerable decrease of the used steel fibers by four times, whereas only a 7% reduction in bearing capacity was observed. Therefore, determining an appropriate length of the reinforced middle section is an essential parameter in reducing fibers, usage leading to more affordable construction costs.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.8
no.2
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pp.129-139
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2014
In this study, the concrete fracture energy was obtained using the three point notched beam test method developed by Hillerborg et al. (Cem Concr Res 6(6):773-782, 1976). A total of 12 notched concrete beams were tested under two different loading conditions: constant stroke control and constant crack mouth opening displacement (CMOD) control. Despite individual fracture energies obtained from the two different loading conditions showing some variation, the average fracture energy from both loading conditions was very similar. Furthermore, the results obtained support the idea that a far tail constant "A" could change the true fracture energy by up to 11 %, if it is calculated using CMOD instead of LVDT. The far tail constant "A" is determined using a least squares fit onto a straight line according to Elices et al. (Mater Struct 25(148):212-218, 1992) and RILEM report (2007). It was also observed that the selection of the end point can produce variations of the true fracture energy. The end point indicates the point in the experiment at which to stop. An end point of 2 mm has been recommended, however, in this study other end points were also considered. The final form of the bilinear softening curve was determined based on Elices and Guinea's methods (1992, 1994) and RILEM report (2007). This paper proposes a bilinear stress-crack opening displacement curve according to test results as well as the CEB-FIP model code.
Two enhancements to a recently developed plastic-damage-contact model for concrete are presented. The model itself, which uses planes of degradation that can undergo damage and separation but that can regain contact according to a contact law, is described. The first enhancement is a new damage evolution function which provides a completely smooth transition from the undamaged to the damaged state and from pre-peak to post-peak regions. The second is an improved contact function that governs the potential degree of contact with increasing opening on a crack plane. The use of a damage evolution function with a pre-peak has implications for the consistent tangent matrix/stress recovery algorithm developed for the model implementation, and amendments to this algorithm to accommodate the new function are described. A series of unpublished experimental tests on notched specimens undertaken in Cardiff in the mid 1990s are then described. These include notched beam tests as well as prismatic and cylindrical torsion tests. The tests are then considered in three dimensional finite element analyses using the modified Craft model implemented in the finite element program LUSAS. Comparisons between experimental and numerical data show reasonable agreement except that the numerical simulations do not fully describe the latter stages of the softening responses for the torsion examples. Finally, it is concluded that the torsion tests described provide useful benchmark examples for the validation of three-dimensional numerical models for concrete.
Portland cement concrete, which has higher strength and stiffness than asphalt concrete, has been widely applied on pavements. However, the brittle fracture characteristic of cement concrete restricts its application in highway pavement construction. Since the polypropylene fiber can improve the fracture toughness of cement concrete, Polypropylene Fiber-Reinforced Concrete (PFRC) is attracting more and more attention in civil engineering. In order to study the effect of polypropylene fiber on the generation and evolution process of the local deformation band in concrete, a series of three-point bending tests were performed using the new technology of the digital speckle correlation method for FRC notched beams with different volumetric contents of polypropylene fiber. The modified Double-K model was utilized for the first time to calculate the stress intensity factors of instability and crack initiation of fiber-reinforced concrete beams. The results indicate that the polypropylene fiber can enhance the fracture toughness. Based on the modified Double-K fracture theory, the maximum fracture energy of concrete with 3.2% fiber (in volume) is 47 times higher than the plain concrete. No effort of fiber content on the strength of the concrete was found. Meanwhile to balance the strength and resistant fracture toughness, concrete with 1.6% fiber is recommended to be applied in pavement construction.
Fracture energy is one of the key parameters reveal cracking resistance and fracture toughness of concrete. The main purpose of this study is to determine fracture behavior, mechanical properties and microstructural analysis of high strength basalt fiber reinforced concrete (HSFRC). For this purpose, three-point bending tests were performed on notched beams produced using HSFRCs with 12 mm and 24mm fiber length and 1, 2 and $3kg/m^3$ fiber content in order to determine the value of fracture energy. Fracture energies of the notched beam specimens were calculated by analyzing load versus crack mouth opining displacement curves by the help of RILEM proposal. The results show that the effects of basalt fiber content and fiber length on fracture energy are very significant. The splitting tensile and flexural strength of HSFRC increased with increasing fiber content whereas a slight drop in flexural strength was observed for the mixture with 24mm fiber length and $3kg/m^3$ fiber content. On the other hand, there was no significant effect of fiber addition on the compressive strength and modulus of elasticity of the mixtures. In addition, microstructural analysis of the three components; cement paste, aggregate and basalt fiber were performed based on the Scanning Electron Microscopy and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy examinations.
Applying a direct formulation for the enrichment of the displacement field an extended finite element (XFEM) scheme for modeling of cohesive crack growth is developed. Only elements cut by the crack is enriched and the scheme fits within the framework of standard FEM code. The scheme is implemented for the 3-node constant strain triangle (CST) and the 6-node linear strain triangle (LST). Modeling of standard concrete test cases such as fracture in the notched three point beam bending test (TPBT) and in the four point shear beam test (FPSB) illustrates the performance. The XFEM results show good agreement with results obtained by applying standard interface elements in FEM and with experimental results. In conjunction with criteria for crack growth local versus nonlocal computation of the crack growth direction is discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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