Mi Na Kim;Ji-un Jang;Hyeseong Lee;Myung Jun Oh;Seong Yun Kim
Composites Research
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v.36
no.1
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pp.1-15
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2023
Demand for energy consumption reduction is increasing according to the development expectations of future mobility. Lightweight structural materials are known as a method to reduce greenhouse gas emissions and improve energy efficiency. In particular, fiber reinforced polymer composite (FRP) is attracting attention as a material that can replace existing metal alloys due to its excellent mechanical properties and light weight. In this paper, industrial applications and research trends of carbon fiber reinforced composites (CFRP, carbon FRP) and self-reinforced composites (SRC) were reviewed based on the reinforcement, polymer matrix, and manufacturing process. In order to overcome the expensive process cost and long manufacturing time of the epoxy resin-based autoclave method, which is mainly used in the aircraft field, mass production of CFRP-applied electric vehicles has been reported using a high-pressure resin transfer molding process including fast-curing epoxy. In addition, thermoplastic resin-based CFRP and interface enhancement methods to solve the recycling issue of carbon fiber composites were reviewed in terms of materials and processes. To form a perfect matrix-reinforcement interface, which is known as the major factor inducing the excellent mechanical properties of FRP, studies on SRC impregnated with the same matrix in polymer fibers have been reported. The physical and mechanical properties of SRC based on various thermoplastic polymers were reviewed in terms of polymer orientation and composite structure. In addition, a copolymer matrix strategy for extending the processing window of highly drawn polypropylene fiber-based SRC was discussed. The application of CFRP and SRC as lightweight structural materials can provide potential options for improving the energy efficiency of future mobility.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.11a
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pp.201-204
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2008
The proposed method, capable of predicting various stress-strain responses in axially loaded concrete confined with FRP (Fiber Reinforced Polymers) composites in a rational manner, is based on the fact that the volumetric expansion due to progressive microcracking in mechanically loaded concrete is an important measure of the extent of damage in the material microstructure. The elastic modulus expressed as a function of area strain and concrete porosity, the energy-balance equation relating the dilating concrete to the confining device interactively, the varying confining pressure, and an incremental calculation algorithm are included in the solution procedure. This procedure enables the evaluation of lateral strains consecutively according to the related mechanical model and the energy-balance equation, rather than using an empirically derived equation for Poisson's ratio or dilation rate as in other analytical methods.
To reuse a broken plain concrete (PC) arch, a retrofitting method was proposed to ensure excellent structural performances, in which carbon fiber reinforced polymers (CFRPs) were applied to repair and strengthen the damaged PC arch through bonding and wrapping techniques. Experiments were carried out to reveal the deformation and the load carrying capacity of the retrofitted composite arch. Based on the experiments, repairing and strengthening effects of the CFRP retrofitted broken arch were revealed. Simplified analysing model was suggested to predict the peak load of the CFRP retrofitted broken arch. According to the research, it is confirmed that absolutely broken PC arch can be completely repaired and reinforced, and even behaves more excellent than the intact PC arch when bonded together and strengthened with CFRP sheets. Using CFRP bonding/wrapping technique a novel efficient composite PC arch structure can be constructed, the comparison between rebar reinforced concrete (RC) arch and composite PC arch reveals that CFRP reinforcements can replace the function of steel bars in concrete arch.
This paper aims to study the behavior of short reinforced concrete columns confined with external glass Fiber Reinforced Polymers (GFRP) sheets under eccentric loads. The experimental part of the study was achieved by testing 9 specimens under eccentric compression. Three eccentricity ratios corresponding to e/t = 0, 0.10, 0.50 in one direction of the column were used. Specimens were divided into three groups. The first group was the control one without confinement. The second group was fully wrapped with GFRP laminates before loading. The third group was wrapped under loading after reaching 75% of failure loads of the control specimens. The third group was investigated in order to represent the practical case of strengthening a loaded column with FRP laminates. All specimens were loaded until failure. The results show that GFRP laminates enhances both failure load and ductility response of eccentrically loaded column. Moreover, the study also illustrates the effect of confinement on the first crack load, lateral deformation, strain in reinforcement and failure pattern. Based on the analysis of the experimental results, a simple model has been proposed to predict the improvement of load carrying capacity under different eccentricity ratios. The predicted equation takes into consideration the eccentricity to cross section depth ratio, the ultimate strength of GFRP, the thickness of wrapping laminate, and the time of wrapping (before loading and under loading). A good correlation was obtained between experimental and analytical results.
Recently, as construction technology improved, concrete structures not only became larger, taller and longer but were able to perform various functions. However, if extreme loads such as impact, blast, and fire are applied to those structures, it would cause severe property damages and human casualties. Especially, the structural responses from extreme loading are totally different than that from quasi-static loading, because large pressure is applied to structures from mass acceleration effect of impact and blast loads. Therefore, the strain rate effect and damage levels should be considered when concrete structure is designed. In this study, the low velocity impact loading test of steel fiber reinforced concrete (SFRC) slabs including 0%~1.5% (by volume) of steel fibers, and strengthened with two types of FRP sheets was performed to develop an impact resistant structural member. From the test results, the maximum impact load, dissipated energy and the number of drop to failure increased, whereas the maximum displacement and support rotation were reduced by strengthening SFRC slab with FRP sheets in tensile zone. The test results showed that the impact resistance of concrete slab can be substantially improved by externally strengthening using FRP sheets. This result can be used in designing of primary facilities exposed to such extreme loads. The dynamic responses of SFRC slab strengthened with FRP sheets under low velocity impact load were also analyzed using LS-DYNA, a finite element analysis program with an explicit time integration scheme. The comparison of test and analytical results showed that they were within 5% of error with respect to maximum displacements.
Ge, Genwang;Liu, Yingzi;Al-Tamimi, Haneen M.;Pourrostam, Towhid;Zhang, Xian;Ali, H. Elhosiny;Jan, Amin;Salameh, Anas A.
Computers and Concrete
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v.29
no.6
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pp.375-391
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2022
This paper examined the impact of the cross-sectional structure on the structural results under different loading conditions of reinforced concrete (RC) members' management limited in Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP). The mechanical properties of CFRC was investigated, then, totally 32 samples were examined. Test parameters included the cross-sectional shape as square, rectangular and circular with two various aspect rates and loading statues. The loading involved concentrated loading, eccentric loading with a ratio of 0.46 to 0.6 and pure bending. The results of the test revealed that the CFRP increased ductility and load during concentrated processing. A cross sectional shape from 23 to 44 percent was increased in load capacity and from 250 to 350 percent increase in axial deformation in rectangular and circular sections respectively, affecting greatly the accomplishment of load capacity and ductility of the concentrated members. Two Artificial Intelligence Models as Extreme Learning Machine (ELM) and Particle Swarm Optimization (PSO) were used to estimating the tensile and flexural strength of specimen. On the basis of the performance from RMSE and RSQR, C-Shape CFRC was greater tensile and flexural strength than any other FRP composite design. Because of the mechanical anchorage into the matrix, C-shaped CFRCC was noted to have greater fiber-matrix interfacial adhesive strength. However, with the increase of the aspect ratio and fiber volume fraction, the compressive strength of CFRCC was reduced. This possibly was due to the fact that during the blending of each fiber, the volume of air input was increased. In addition, by adding silica fumed to composites, the tensile and flexural strength of CFRCC is greatly improved.
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.8
no.2
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pp.113-119
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2008
Recently, fiber reinforced polymers(FRP) composite materials are used extensively in the rehabilitation of concrete structural members. A main application is to wrap beams and columns using the continuous fibers sheets to improve their strength and ductility. The corner chamfering affects significantly the performance of the continuous fibers sheets, and could lead to environmental problem with waste and dust. The main purpose of this paper is to verify the effect of corner conditions on the strength of the continuous fiber sheets, and to introduce new attached components which can avoid environmental problem. A total of 15 specimens were tested and carefully checked for three types of continuous fiber sheets(carbon, glass, and aramid) and three types of corner conditions(non-chamfering, chamfering, and device attaching). It is proved that the devices proposed in this research have some capabilities to use for RC member. But additional research will be needed for commercializing.
This paper describes an experimental study on structural health monitoring of a 1:3-scaled one-story concrete frame subjected to seismic damage and retrofit. The structure is tested on a shaking table by exerting successively enhanced earthquake excitations until severe damage, and then retrofitted using fiber-reinforced polymers (FRP). The modal properties of the tested structure at trifling, moderate, severe damage and strengthening stages are measured by subjecting it to a small-amplitude white-noise excitation after each earthquake attack. Making use of the measured global modal frequencies and a validated finite element model of the tested structure, a neural network method is developed to quantitatively identify the stiffness reduction due to damage and the stiffness enhancement due to strengthening. The identification results are compared with 'true' damage severities that are defined and determined based on visual inspection and local impact testing. It is shown that by the use of FRP retrofit, the stiffness of the severely damaged structure can be recovered to the level as in the trifling damage stage.
In recent years, the use of Fiber Reinforced Polymers (FRPs) as one of the most common ways to increase the strength of concrete samples, has been introduced. Evaluation of the final strength of these specimens is performed with different experimental methods. In this research, due to the variety of models, the low accuracy and impact of different parameters, the use of new intelligence methods is considered. Therefore, using artificial intelligent-based models, a new solution for evaluating the bond strength of FRP is presented in this paper. 150 experimental samples were collected from previous studies, and then two new hybrid models of Imperialist Competitive Algorithm (ICA)-Artificial Neural Network (ANN) and Artificial Bee Colony (ABC)-ANN were developed. These models were evaluated using different performance indices and then, a comparison was made between the developed models. The results showed that the ICA-ANN model's ability to predict the bond strength of FRP is higher than the ABC-ANN model. Finally, to demonstrate the capabilities of this new model, a comparison was made between the five experimental models and the results were presented for all data. This comparison showed that the new model could offer better performance. It is concluded that the proposed hybrid models can be utilized in the field of this study as a suitable substitute for empirical models.
Arani, Ali Ghorbanpour;Haghparast, Elham;Zarei, Hassan BabaAkbar
Steel and Composite Structures
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v.23
no.5
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pp.529-541
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2017
In the present study, vibration analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FGCNTRC) plate moving in two directions is investigated. Various types of shear deformation theories are utilized to obtain more accurate and simplest theory. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are selected as a reinforcement of composite face sheets inside Poly methyl methacrylate (PMMA) matrix. Moreover, different kinds of distributions of CNTs are considered. Based on extended rule of mixture, the structural properties of composite face sheets are considered. Motion equations are obtained by Hamilton's principle and solved analytically. Influences of various parameters such as moving speed in x and y directions, volume fraction and distribution of CNTs, orthotropic viscoelastic surrounding medium, thickness and aspect ratio of composite plate on the vibration characteristics of moving system are discussed in details. The results indicated that thenatural frequency or stability of FGCNTRC plate is strongly dependent on axially moving speed. Moreover, a better configuration of the nanotube embedded in plate can be used to increase the critical speed, as a result, the stability is improved. The results of this investigation can be used in design and manufacturing of marine vessels and aircrafts.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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