This paper presents the effects of elevated temperatures of $400^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ on the residual compressive strength and failure behaviour of fibre reinforced concretes and comparison is made with that of unreinforced control concrete. Two types of short fibres are used in this study e.g., steel and basalt fibres. The results show that the residual compressive strength capacity of steel fibre reinforced concrete is higher than unreinforced concrete at both elevated temperatures. The basalt fibre reinforced concrete, on the other hand, showed lower strength retention capacity than the control unreinforced concrete. However, the use of hybrid steel-basalt fibre reinforcement recovered the deficiency of basalt fibre reinforced concrete, but still slightly lower than the control and steel fibres reinforced concretes. The use of fibres reduces the spalling and explosive failure of steel, basalt and hybrid steel-basalt fibres reinforced concretes oppose to spalling in deeper regions of ordinary control concrete after exposure to above elevated temperatures. Microscopic observation of steel and basalt fibres surfaces after exposure to above elevated temperatures shows peeling of thin layer from steel surface at $800^{\circ}C$, whereas in the case of basalt fibre formation of Plagioclase mineral crystals on the surface are observed at elevated temperatures.
In this study engineered steel fibres used as reinforcement for concrete were characterized by number of key mechanical and spatial parameters, which are easy to measure and quantify. Such commonly used parameters as length, diameter, fibre intrinsic efficiency ratio (FIER), hook geometry, tensile strength and ductility were considered. Effective classification of various fibres was demonstrated using simple multivariate computations involving principal component analysis (PCA). Contrary to univariate data mining approach, the proposed analysis can be efficiently adapted for fast, robust and direct classification of engineered steel fibres. The results have revealed that in case of particular spatial/geometrical conditions of steel fibres investigated the FIER parameter can be efficiently replaced by a simple aspect ratio. There is also a need of finding new parameters describing properties of steel fibre more precisely.
Torres, Lluis;Barris, Cristina;Kaklauskas, Gintaris;Gribniak, Viktor
Structural Engineering and Mechanics
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v.53
no.5
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pp.997-1016
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2015
The contribution of tensioned concrete between cracks (tension-stiffening) cannot be ignored when analysing deformation of reinforced concrete elements. The tension-stiffening effect is crucial when it comes to adequately estimating the load-deformation response of steel reinforced concrete and the more recently appeared fibre reinforced polymer (FRP) reinforced concrete. This paper presents a unified methodology for numerical modelling of the tension-stiffening effect in steel as well as FRP reinforced flexural members using the concept of equivalent deformation modulus and the smeared crack approach to obtain a modified stress-strain relation of the reinforcement. A closed-form solution for the equivalent secant modulus of deformation of the tensioned reinforcement is proposed for rectangular sections taking the Eurocode 2 curvature prediction technique as the reference. Using equations based on general principles of structural mechanics, the main influencing parameters are obtained. It is found that the ratio between the equivalent stiffness and the initial stiffness basically depends on the product of the modular ratio and reinforcement ratio ($n{\rho}$), the effective-to-total depth ratio (d/h), and the level of loading. The proposed methodology is adequate for numerical modelling of tension-stiffening for different FRP and steel reinforcement, under both service and ultimate conditions. Comparison of the predicted and experimental data obtained by the authors indicates that the proposed methodology is capable to adequately model the tension-stiffening effect in beams reinforced with FRP or steel bars within wide range of loading.
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.
A 3-node 3D co-rotational beam element using vectorial rotational variables is employed to consider the geometric nonlinearity in 3D space. To account for shape versatility and reinforced concrete cross-sections, fibre model has been derived and conducted. Numerical integration over the cross-section is performed, considering both normal and shear stresses. In addition, the derivations associated with material nonlinearity are given in terms of elasto-plastic incremental stress-strain relationship for both steel and concrete. Steel reinforcement is treated as elasto-plastic material with Von Mises yield criterion. Compressive concrete behaviour is described by Modified Kent and Park model, while tensile stiffening effect is taken into account as well. Through several numerical examples, it is shown that the proposed 3D co-rotational beam element with fibre model can be used to simulate steel and reinforced concrete framed structures with satisfactory accuracy and efficiency.
Environmental problems caused by extensive use of polymeric materials arise mainly due to lack of landfill space and depletion of finite natural resources of fossil raw materials like petroleum or natural gas. The substitution of synthetic petroleum-based resins with natural biodegradable resins appears to be one appropriate measure to remedy the above-mentioned situation. This study presents the development of a composite that uses environmentally degradable starch-based resin as matrix and natural mineral basalt fibres as reinforcement, and investigates the fibre's and the composite's mechanical properties. The tensile strength of single basalt fibres was verified by means of single fibre tensile tests and statistically investigated by means of a Weibull analysis. Prepreg sheets were manufactured by means of a modified doctor blade system and hot power press. The sheets were used to manufacture specimens with fibre volume contents ranging from 33% to 61%. Specimens were tested for tensile strength, flexural strength and interlaminar shear strength. Composites manufactured during this study exhibited tensile and flexural strength of up to 517 MPa and 157 MPa, respectively.
Georgiadi-Stefanidi, K.;Mistakidis, E.;Perdikaris, P.;Papatheocharis, T.
Earthquakes and Structures
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v.1
no.4
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pp.345-370
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2010
The paper presents a study on the numerical simulation of the behaviour of conventional reinforced concrete (RC) beams strengthened by thin fibre-reinforced cementitious matrix (FRCM) jackets. The study covers the cases of retrofitting RC beams with or without stirrups with jackets reinforced with longitudinal and transverse steel reinforcement or with light wire mesh. The strengthened RC beams to be modelled were tested under static monotonic and fully reversing cyclic loading. The numerical results show that the numerical model used predicted quite well the experimental results.
Although shear reinforcement in beams typically consists of steel bars bent in the form of stirrups or hoops, the addition of deformed steel fibres to the concrete has been shown to enhance shear resistance and ductility in reinforced concrete beams. This paper presents a model that can be used to predict the shear strength of fibrous concrete rectangular members without stirrups. The model is an extension of the plasticity-based crack sliding model originally developed for plain concrete beams. The crack sliding model has been improved in order to take into account several aspects: the arch effect for deep beams, the post-cracking tensile strength of steel fibre reinforced concrete and its ability to control sliding along shear cracks, and the mitigation of the shear size effect due to presence of fibres. The results obtained by the model have been validated by a large set of experimental tests taken from literature, compared with several models proposed in literature, and numerical analyses are carried out showing the influence of fibres on the beam failure mode.
Force-deformation modelling of cracked reinforced concrete is essential for a displacement-based seismic assessment of structures and can be achieved by fibre-element analysis of the cross-section of the major lateral resisting elements. The non-linear moment curvature relationship obtained from fibre-element analysis takes into account the significant effects of axial pre-compression and contributions by the longitudinal reinforcement. Whilst some specialised analysis packages possess the capability of incorporating fibre-elements into the modelling (e.g., RESPONSE 2000), implementation of the analysis on EXCEL is illustrated in this paper. The outcome of the analysis is the moment-curvature relationship of the wall cross-section, curvature at yield and at damage control limit states specified by the user. Few software platforms can compete with EXCEL in terms of its transparencies, versatility and familiarity to the computer users. The program has the capability of handling arbitrary cross-sections that are without an axis of symmetry. Application of the program is illustrated with examples of typical cross-sections of structural walls. The calculated limiting curvature for the considered cross-sections were used to construct displacement profiles up the height of the wall for comparison with the seismically induced displacement demand.
Clegg, Harry M.;Dell'Anno, Giuseppe;Partridge, Ivana K.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.6
no.2
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pp.145-156
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2019
As the industrial desire for a step change in productivity within the manufacture of composite structures increases, so does the interest in Through-Thickness Reinforcement technologies. As manufacturers look to increase the production rate, whilst reducing cost, Through-Thickness Reinforcement technologies represent valid methods to reinforce structural joints, as well as providing a potential alternative to mechanical fastening and bolting. The use of tufting promises to resolve the typically low delamination resistance, which is necessary when it comes to creating intersections within complex composite structures. Emerging methods include the use of 3D woven connectors, and orthogonally intersecting fibre packs, with the components secured by the selective insertion of microfasteners in the form of tufts. Intersections of this type are prevalent in aeronautical applications, as a typical connection to be found in aircraft wing structures, and their intersections with the composite skin and other structural elements. The common practice is to create back-to-back composite "L's", or to utilise a machined metallic connector, mechanically fastened to the remainder of the structure. 3D woven connectors and selective Through-Thickness Reinforcement promise to increase the ultimate load that the structure can bear, whilst reducing manufacturing complexity, increasing the load carrying capability and facilitating the automated production of parts of the composite structure. This paper provides an overview of the currently available methods for creating intersections within composite structures and compares them to alternatives involving the use of 3D woven connectors, and the application of selective Through-Thickness Reinforcement for enhanced damage tolerance. The use of tufts is investigated, and their effect on the load carrying ability of the structure is examined. The results of mechanical tests are presented for each of the methods described, and their failure characteristics examined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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