Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1996.10a
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pp.501-507
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1996
The final objectives of this study are to present the theoretical formula for reasonable structural analysis and practical codes on the repair/strengthening of damaged reinforced concrete structrues. For that purpose, in last year, preliminary experiments for flexure and shear of beam structure using carbon sheet and steel plate were performed, and in sequence, in this year, using aramid fiber sheet and steel plate more extensive experiment were performed. Repair for the performance of flexure and shear was focused on, and main variables were selected considering aplicablilty for practical field, such as, spacing of anchor bolt, lapping, jacking up, preloading level, and fiber difection as well as length of repairing plate and thickness. so new results from various angles are to be presented.
The research investigates experimentally the effect of confinement on structural behavior at the ends of beam-column in reinforced concrete (RC) frames. In the experimental study, five specimens consisting of 1/3-scaled RC frames having single-bay, representing the traditional deficiencies of existing buildings constructed without receiving proper engineering service is investigated. The RC frame specimens were produced to represent most of the existing buildings in Turkey that have damage potential. To decrease the probable damage to the existing buildings exposed to earthquakes, the carbon Textile Reinforced Mortar (TRM) strengthening technique (fully wrapping) was used on the ends of the RC frame elements to increase the energy dissipation and deformation capacity. The specimens were tested under reversed cyclic lateral loading with constant axial loads. They were constructed satisfying the weak column-strong beam condition and consisting of low-strength concrete, such as compressive strength of 15 MPa. The test results were compared and evaluated considering stiffness, strength, energy dissipation capacity, structural damping, ductility, and damage propagation in detail. Comprehensive investigations of these experimental results reveal that the strengthening of a brittle frame with fully-TRM wrapping with non-anchored was effective in increasing the stiffness, ductility, and energy dissipation capacities of RC bare frames. It was also observed that the frame-only-retrofitting with an infill wall is not enough to increase the ductility capacity. In this case, both the frame and infill wall must be retrofitted with TRM composite to increase the stiffness, lateral load carrying, ductility and energy dissipation capacities of RC frames. The presented strengthening method can be an alternative strengthening technique to enhance the seismic performance of existing or moderately damaged RC buildings.
The main role of studs, which act as connectors of the steel-concrete composite structures, is to ensure that the steel and the concrete work together as a whole. The studs in steel-concrete composite structures bear the shearing force in the majority of cases, but in certain locations, such as the mid-span of a simply supported composite beam, the studs bear axial uplift force. The previous studies mainly focused on the shearing performance of the stud by some experimental and theoretical effort. However, rare studies involved the uplift performance of studs. In this paper, the single stud uplift test on 10 composite specimens was performed. Meanwhile, based on the test, numerical analysis was introduced to simulate the concrete damage process due to the stud uplifted from concrete. The static ultimate bearing capacity, under which the stud connector was pulled out from the damaged reinforced concrete, is much larger than the cyclic ultimate bearing capacity, under which the weld joint between stud and steel plate fractured. According to the fatigue test results of 7 specimens, the fatigue S-N curve of the construction detail after minus 2 times standard deviation is $logN=24.011-9.171\;log{\Delta}{\sigma}$, the fatigue strength corresponding to $2{\times}10^6$ cycles is 85.33 MPa.
Early detection of small concrete crack or reinforcement corrosion is necessary for Structural Health Monitoring (SHM). Global vibration based methods are advantageous over local methods because of simple equipment installation and cost efficiency. Among vibration based techniques, FRF based methods are preferred over modal based methods. In this study, a new coupled method using frequency response function (FRF) and proper orthogonal modes (POM) is proposed by using the dynamic characteristic of a damaged beam. For the numerical simulation, wave finite element (WFE), coupled with traditional finite element (FE) method is used for effectively incorporating the damage related information and faster computation. As reported in literature, hybrid combination of wave function based wave finite element method and shape function based finite element method can addresses the mid frequency modelling difficulty as it utilises the advantages of both the methods. It also reduces the dynamic matrix dimension. The algorithms are implemented on a three-dimensional reinforced concrete beam. Damage is modelled and studied for two scenarios, i.e., crack in concrete and rebar corrosion. Single and multiple damage locations with different damage length are also considered. The proposed methodology is found to be very sensitive to both single- and multiple- damage while being computationally efficient at the same time. It is observed that the detection of damage due to corrosion is more challenging than that of concrete crack. The similarity index obtained from the damage parameters shows that it can be a very effective indicator for appropriately indicating initiation of damage in concrete structure in the form of spread corrosion or invisible crack.
This paper presents a case study about the damages on the structural elements of a cast in place reinforced concrete (RC) building after a big fire which was able to be controlled after six hours. The fire broke off at the $2^{nd}$ basement floor of the building, which has five basements, one ground, and two normal floors. As a result of intensely stocked ignitable materials, it spread out to the all of the upstairs. In visual inspection, most of the typical fire damages were observed (such as spalling, net-like cracks, crumbled plasters, bared or visible reinforcement). Also, failures of the $2^{nd}$ basement columns were encountered. It has been concluded that the severity failures of the columns at the $2^{nd}$ basement caused utterly deformation of the building, which is responsible for the massive damages on the beam-column connections. All of the observed damages were categorized related to the types and presented separated regarding the floors. Besides to the visual inspection, the numerical analysis was run to verify the observed damaged on the building for columns, beams, and the connection regions. It is concluded from the study that several parameters such as duration of the fire, level of the temperature influence on the damages to the RC building. Also, it is highlighted by the study that if the damaged building is considered on the overall structural system, it is not able to satisfy the minimum service requirements neither gravity loads nor earthquake conditions.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.04a
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pp.1049-1052
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2008
Coupling beams have been used in bearing wall system during last decades. Practically their sectional effects are fully considered in analysis stage to control lateral displacement because they have good contribution to the stiffness of bearing wall system. But the high resultant forces of coupling beam are not fully satisfied in design stage because coupling beams are restricted in sectional size. In this paper the performance of bearing wall system with coupling beam has been evaluated based on improved equivalent linearization procedure of FEMA 440. 15 storied building is selected for analysis. Variables for performance evaluation are natural period, degree of coupling and soil site. To evaluate performance, demand capacity spectrum is calculated based on KBC 2005. As a result, for the most of the cases the life safety limit of chord rotation of coupling beam is less than the performance point of system for soil site $S_D$. That means that the coupling beam can be severly damaged before the system reaches at performance point.
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.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.04a
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pp.165-168
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2008
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.
The paper proposes two methodologies for damage identification from measured natural frequencies of a contiguously damaged reinforced concrete beam, idealised with distributed damage model. The first method identifies damage from Iso-Eigen-Value-Change contours, plotted between pairs of different frequencies. The performance of the method is checked for a wide variation of damage positions and extents. The method is also extended to a discrete structure in the form of a five-storied shear building and the simplicity of the method is demonstrated. The second method is through smeared damage model, where the damage is assumed constant for different segments of the beam and the lengths and centres of these segments are the known inputs. First-order perturbation method is used to derive the relevant expressions. Both these methods are based on distributed damage models and have been checked with experimental program on simply supported reinforced concrete beams, subjected to different stages of symmetric and un-symmetric damages. The results of the experiments are encouraging and show that both the methods can be adopted together in a damage identification scenario.
The flexural behaviors of two types of beam members exposed to freeze-thaw cycles were evaluated. This study aims to examine the effect of freeze-thaw cycles on the behavior characteristics of reinforced concrete (RC) beams. For the purpose, a part of the beam specimens were damaged until yielding of tension reinforcement was reached, before they were exposed to 150 and 300 cycles of freeze-thaw. Cyclic tests, as well as monotonic tests, were conducted to evaluate the stiffness degradation characteristics when same cycle is repeated. The material tests showed that relative dynamic modulus of concrete exposed to 300 cycles of freeze-thaw moderately decreased to 86.8% of normal concrete, indicating that concrete used in this study has good durability against freeze and thaw damage. The results of monotonic tests showed reduction of flexural strength, ductility and stiffness of the beam specimens exposed to freeze-thaw cycles compared with those of the control speciments. In particular, BDF13 specimens, which had been subjected to artificial cracking damage, did not showed enough flexural strength to satisfy nominal moment required by current concrete structure design code. In the monotonic tests results, BF75 specimens exposed to freeze-thaw cycles showed 10% or more cyclic stiffness degradation. Therefore, it was thought that deformation of concrete in compression have to be considered in design process of members under cyclic load, such as seismic device.
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