The strengthening of reinforced concrete structures by externally bonded GFRP has become increasingly common in resent years. However the analysis and design method for GFRP plate strengthening of RC beams is not well established yet. The purpose of present paper is, therefore, to define the failure mechanism and failure behavior of strengthened RC beam using GFRP and then to propose a resonable method for the calculation of interface debonding load for those beams. From the experimental results of beams strengthened by GFRP, the influence of length and thickness, width of plate on the interfacial debonding failure behavior of beam is studied and, on the basis of test results, the semi-empirical equation to predict debonding load is developed. The proposed theory based on nonlinear analysis and critical flexural crack width, predicts relatively well the debonding failure load of test beams and may be efficiently used in the analysis and design of strengthened RC beams using GFRP.
The interaction between steel tube and concrete core is the key design considerations for concrete-filled steel tube columns. In a concrete-filled steel tube (CFST) column, the steel tube provides confinement to the concrete core which permits the composite action among the steel tube and the concrete. Due to construction faults and plastic shrinkage of concrete, the debonding separation at the steel-concrete interface weakens the confinement effect, and hence affects the behaviour and bearing capacity of the composite member. This study investigates the axial loading behavior of the concrete filled circular steel tube columns with debonding separation. A three-dimensional nonlinear finite element model of CFST composite columns with introduced debonding gap was developed. The results from the finite element analysis captured successfully the experimental behaviours. The calibrated finite element models were then utilized to assess the influence of concrete strength, steel yield stress and the steel-concrete ratio on the debonding behaviour. The findings indicate a likely significant drop in the load carrying capacity with the increase of the size of the debonding gap. A design formula is proposed to reduce the load carrying capacity with the presence of debonding separation.
Fiber Reinforced Polymer (FRP), which has a high strength to weight ratio, are now regularly used for strengthening of deficient reinforced concrete (RC) structures. While various researches have been conducted on FRP strengthening, an area that still requires attention is predicting the debonding failure load of prestressed FRP strengthened RC beams. Application of prestressing increases the capacity and reduces the premature failure of the beams largely, though not entirely. Few analytical methods are available to predict the failure loads under flexure failure. With this paucity, this research proposes a method for predicting debonding failure induced by intermediate crack (IC) for prestressed FRP-strengthened beams. The method consists of a numerical study on beams retrofitted with prestressed FRP in the tension side of the beam. The method applies modified Branson moment-curvature analysis together with the global energy balance approach in combination with fracture mechanics criteria to predict failure load for complicated IC-induced failure. The numerically simulated results were compared with published experimental data and the average of theoretical to experimental debonding failure load is found to be 0.93 with a standard deviation of 0.09.
Shear-induced phase transformation behavior of chemically stabilized $\beta$-cristobalite was studied by the fiber push-out technique. To obtain the critical grain size for phase transformation, the hot-pressed polycrystalline $\beta$-cristobalite, which was used as the interphase between fiber and matrix, was annealed at $1300^{\circ}C$ for 10h. Two types of fibers, mullite and sapphire fiber, were used in this study. Debonding between mullite fiber and cristobalite interphase occurred at a critical load of 230 MPa. Static friction and fiber sliding were continuously followed by debonding. Shear-induced transformation induced cracks in the cristobalite interphase at the debonding stage. In the case of the sapphire fiber, the debonding occurred at a lower load of 180 MPa due to the residual stress in the interface caused by the difference in thermal expansion coefficients between the fiber and the cristobalite interphase. The load was insufficient for shear-induced phase transformation.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.11a
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pp.153-156
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2006
This paper presents an analytical results on limits of debonding failure for RC beams strengthened with near-surface mounted(NSM) CFRP strips. An analytical model was derived to predict the failure mode and the maximum load. An analytical model has two assumptions. The first is that the debonding failure occurs at the epoxy-concrete interfaces. The second is that the debonding failure occurs at the end of the FRP reinforcement due to concentration of shear stress. Results of the comparison of existing test data and analytical model data have predicted the failure mode and the maximum load well. Also, this paper proposed limits of debonding failure to prevent the debonding using the strengthening area and the groove depth.
This paper presents numerical studies of stiff fiber pullout behaviors of fiber reinforced cementitious composites based on a progressive damage model. The ongoing debonding process is simulated. Interfacial stress distribution for different load levels is analyzed. A parametric study, including bond strength and the homogeneity index on the pullout behaviors is carried out. The numerical results indicate that the bond stress decreases gradually from loaded end to embedded end along fiber-cement interface. The debonding initially starts from loaded end and propagates to embedded end as load increasing. The embedded length and bond strength affect the load-loaded end displacement curves significantly. The numerical results have a general agreement with the experimental investigation.
This paper presents the analysis of intermediate crack-induced (IC) debonding failure loads for reinforced concrete (RC) beams strengthened with adhesively-bonded fiber-reinforced polymer (FRP) plates or sheets. The analysis consists of the energy release and simple ACI methods. In the energy release method, a fracture criterion is employed to predict the debonding loads. The interfacial fracture energy that indicates the resistance to debonding is related to the bond-slip relationships obtained from the shear test of FRP-to-concrete bonded joints. The section analysis that considers the effect of concrete's tension stiffening is employed to develop the moment-curvature relationships of the FRP-strengthened sections. In the ACI method, the onset of debonding is assumed when the FRP strain reaches the debonding strain limit. The tension stiffening effect is neglected in developing a moment-curvature relationship. For a comparison purpose, both methods are used to numerically investigate the effects of relevant parameters on the IC debonding failure loads. The results show that the debonding failure load generally increases as the concrete compressive strength, FRP reinforcement ratio, FRP elastic modulus and steel reinforcement ratio increase.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.10
no.4
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pp.499-511
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2016
Reinforced concrete (RC) beams strengthened by externally bonded reinforcement often fail by debonding. This paper presents an experimental and analytical study aimed at better understanding and modeling the fiber reinforced polymer (FRP) debonding failures in strengthened RC beams under monotonic and cyclic loads. In order to investigate the flexural behavior and failure modes of FRP-strengthened beams under monotonic and cyclic loadings, an experimental program was carried out. An analytical study based on the energy balance of the system was also performed. It considers the dominant mechanisms of energy dissipation during debonding and predicts the failure load of the strengthened beams. Validation of the model was carried out using test data obtained from the own experimental investigation.
Sohn, Hoon;Kim, Seung Dae;In, Chi Won;Cronin, Kelly E.;Harries, Kent
Smart Structures and Systems
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v.4
no.4
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pp.391-406
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2008
This study attempts to develop a real-time debonding monitoring system for carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strengthened structures by continuously inspecting the bonding condition between the CFRP layer and the host structure. The uniqueness of this study is in developing a new concept and theoretical framework of nondestructive testing (NDT), in which debonding is detected without relying on previously-obtained baseline data. The proposed reference-free damage diagnosis is achieved based on the concept of time reversal acoustics (TRA). In TRA, an input signal at an excitation point can be reconstructed if the response signal measured at another point is reemitted to the original excitation point after being reversed in the time domain. Examining the deviation of the reconstructed signal from the known initial input signal allows instantaneous identification of damage without requiring a baseline signal representing the undamaged state for comparison. The concept of TRA has been extended to guided wave propagations within the CFRP-strengthened reinforced concrete (RC) beams to improve the detectibility of local debonding. Monotonic and fatigue load tests of large-scale CFRP-strengthened RC beams are conducted to demonstrate the potential of the proposed reference-free debonding monitoring system. Comparisons with an electro-mechanical impedance method and an inferred imaging technique are provided as well.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.4A
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pp.245-253
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2012
In the longway tunnel and underground traffic road, the structure of transverse ventilation system is constructed by the airpit slab. In this study, the full scale specimens of the PSC airpit slab that attached fire resistance panel are performed the static and dynamic loading tests for evaluation of bending capacity. The first of all, it confirmed the evaluations about the fundamental efficiency of the fire resistance panel and PSC slab by the 3-point bending test and pull-off test. The tests are performed for evaluation of the bending resistance under ultimate static load and the bonded capacity under dynamic fatigue load. A fatigue test is performed for an investigation of the effect on wind pressure that is developed by transit of traffic. The damage or debonding on surface between fire resistance panel and PSC slab was not developed in dynamic fatigue load test, also the behavior of the specimens is very stable and the debonding of the fire resistance panel attached at the bottom surface of PSC slab was not developed in static load test, too. Therefore, the crack or debonding of the fire resistance panel will be not developed by external loads during the construction or completion of the precast fire resistance system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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