Abu-Obeidah, Adi S.;Abdalla, Jamal A.;Hawileh, Rami A.
Advances in concrete construction
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v.7
no.4
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pp.249-262
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2019
In this study, high strength aluminum alloys (AA) plates are proposed as a new construction material for strengthening reinforced concrete (RC) beams. The purpose of this investigation is to evaluate AA plate's suitability as externally bonded reinforcing (EBR) materials for retrofitting shear deficient beams. A total of twenty RC beams designed to fail in shear were strengthened with different spacing and orientations. The specimens were loaded with four-points loading till failure. The considered outcome parameters included load carrying capacity, deflection, strain in plates, and failure modes. The results of all tested beams showed an increase up to 37% in the load carrying capacity and also an increase in deflection compared to the control un-strengthened beams. This demonstrated the potential of adopting AA plates as EBR material. Finally, the shear contribution from the AA plates was predicted using the models available in the ACI440-08, TR55 and FIB14 design code for fiber reinforced polymer (FRP) plates. The predicted results were compared to experimental testing data with the ratio of the experimentally measured ultimate load to predicted load, range on the average, between 93% and 97%.
This paper proposes a novel topology optimization method generating multiple materials for external linear plane crack structures based on the combination of IsoGeometric Analysis (IGA) and eXtended Finite Element Method (X-FEM). A so-called eXtended IsoGeometric Analysis (X-IGA) is derived for a mechanical description of a strong discontinuity state's continuous boundaries through the inherited special properties of X-FEM. In X-IGA, control points and patches play the same role with nodes and sub-domains in the finite element method. While being similar to X-FEM, enrichment functions are added to finite element approximation without any mesh generation. The geometry of structures based on basic functions of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) provides accurate and reliable results. Moreover, the basis function to define the geometry becomes a systematic p-refinement to control the field approximation order without altering the geometry or its parameterization. The accuracy of analytical solutions of X-IGA for the crack problem, which is superior to a conventional X-FEM, guarantees the reliability of the optimal multi-material retrofitting against external cracks through using topology optimization. Topology optimization is applied to the minimal compliance design of two-dimensional plane linear cracked structures retrofitted by multiple distinct materials to prevent the propagation of the present crack pattern. The alternating active-phase algorithm with optimality criteria-based algorithms is employed to update design variables of element densities. Numerical results under different lengths, positions, and angles of given cracks verify the proposed method's efficiency and feasibility in using X-IGA compared to a conventional X-FEM.
Mohammad Reza Halvaeyfar;Ehsanollah Zeighami;S. Mohammad Mirhosseini;Ali Hassani Joshaghani
Structural Engineering and Mechanics
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v.87
no.4
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pp.375-389
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2023
In many fiber concrete beams with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), debonding occurs between the carbon sheets and the concrete due to the low strength of the bonding resin. A total of 42 fiber concrete beams with a cross-section of 10×10 cm with a span length of 50 cm are fabricated and retrofitted with CFRP and subjected to a 4-point bending test. Graphene Oxide (GO) at 1, 2, and 3 wt% of the resin is used to improve the mechanical properties of the bonding resins, and the effect of length, width, and the number of layers of CFRP and resin material are investigated. The crack pattern, failure mode, and stress-strain curve are analyzed and compared in each case. The results showed that adding GO to polyamine resin could improve the bonding between the resin and the fiber concrete beam. Furthermore, the optimum amount of nanomaterials is equal to 2% by the weight of the resin. Using 2% nanomaterials showed that by increasing the length, width, and number of layers, the bearing and stiffness of fiber concrete beams increased significantly.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.14
no.6
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pp.153-161
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2010
Numerous past studies have shown that safety and serviceability of many concrete infrastructures and buildings built in 1970's have far less strength capacities than their original intended design capacities, thereby requiring repair and strengthening. Currently, aged concrete structures are being repaired using various methods developed in the past. Unfortunately, these methods do not consider the specific conditions that these members are under, but they merely attach repairing materials on the external surface for random strength improvements. Therefore, in order to improve repair and strengthening methods by considering composite behavior between repairing material and structural member, enhanced construction methodologies are needed. Also, the enhanced repairing and strengthening methods must be able to be implemented on structural members constructed using high performance concrete to meet the present construction demand of building mammoth structures. Therefore, in this study, a repairing and strengthening method for retrofitting high strength concrete (HSC) columns that can effectively improve column performance is developed. A square HSC column's cross-sectional shape is converted to an octagonal shape by attaching precast members on the surface of the column. Then, the octagonal column surface is surface wrapped using Carbon Fiber Sheets (CFS). The method allows maximum usage of confinement effect from externally jacketing CFS to improve strength and ductility of repaired HSC columns. The research results are discussed in detail.
Lee, Jin Young;Shin, Hyen Oh;Min, Kyeng Hwan;Yoon, Young Soo
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.3
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pp.1-9
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2013
This paper presents high-velocity impact analysis of two-way RC slabs, including steel fibers and strengthening with fiber reinforced polymer (FRP) sheets for evaluating impact resistance. The analysis uses the LS-DYNA program, which is advanced in impact analysis. The present analysis was performed similarly to the high-velocity impact tests conducted by VTT, the technical research center of Finland, to verify the analysis results. High-velocity impact loads were applied to $2100{\times}2100{\times}250$ mm size two-way RC slab specimens, using a non-deformable steel projectile of 47.5kg mass and 134.9m/s velocity. In this research, extra impact analysis of material specimens was carried out to verify the material models used to the analysis. The elastic-plastic hydrodynamic model, concrete damage model and orthotropic elastic model were used to simulate the non-linear softening behavior of steel fiber reinforced concrete (SFRC), and material properties of normal concrete and FRP sheets, respectively. It is concluded that the suggested analysis technique has good reliability, and can be effectively applied in evaluating the effectiveness of reinforcing/retrofitting materials and techniques. Also, the Steel fiber and FRP sheet strengthening systems provided outstanding performance under high-velocity impact loads.
Cho, Chul-Min;Choi, Ji-Hun;Rhee, Seung-Hoon;Kim, Tae-Kyun;Kim, Jang-Ho Jay
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.29
no.2
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pp.131-139
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2017
Recently, earthquakes have frequently occurred near Korean peninsula. An experimental study is needed for developing a reinforcing method for seismic strengthening to apply to RC structures. Recently, PolyUrea (PU) as structural reinforcement materials has been receiving great interest from construction industry. The reinforcing effect of PU appeared to be excellent under blast and impact as well as earthquakes. In this study, Flexible Type PolyUrea (FTPU) developed in preceding studies was modified to develop Stiff Type PolyUrea (STPU) by varying the ratio of the components of prepolymer and hardener of FTPU. The material performance evaluation has been performed through hardening time, tensile strength and percent elongation test, pull-off test, and shore hardness test. The experimental results showed that STPU has higher tensile strength and lower elongation than FTPU. Therefore, STPU coating agent can be used for semi-permanent products. By using STPU with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) on concrete columns, confinement effect can be enhanced to maximize seismic strength and ductility.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.26
no.6
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pp.54-63
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2022
This paper is a study on the friction damper, which is one of the seismic reinforcement devices for structures. This study developed a damper by replacing the internal friction material with ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE), a type of composite material. In addition, this study applied a multi-friction method in which the internal structure where frictional force is generated is laminated in several layers. To verify the performance of the developed multi-friction damper, this study performed a characteristic analysis test for the basic physical properties, wear characteristics, and disc springs of the material. As a result of the wear test, the mass reduction rate of UHMWPE was 0.003%, which showed the best performance among the friction materials based on composite materials. Regarding the disc spring, this study secured the design basic data from the finite element analysis and experimental test results. Moreover, to confirm the quality stability of the developed multi-friction damper, this study performed an seismic load test on the damping device and the friction force change according to the torque value. The quality performance test result showed a linear frictional force change according to the torque value adjustment. As a result of the seismic load test, the allowable error of the friction damper was less than 15%, which is the standard required by the design standards, so it satisfies the requirements for seismic reinforcement devices.
The addition of different types of polymers such as SBR, VAE, Acrylic, etc. in concrete and mortar leads to an increase in compressive, tensile and bond strength and decrease in permeability of polymer modified mortar (PMM) and concrete (PMC). The improvement in properties such as bond strength and impermeability makes PMM/PMC suitable for use as repair/retrofitting and water proofing material. In the present study effect of addition of fluoropolymer on the strength and permeability properties of mortar has been studied. In the cement mortar different percentages viz. 10, 20 and 30 percent of fluoropolymer by weight of cement was added. It has been observed that on addition of fluoropolymer in mortar the workability of mortar increases. In the present study all specimens were cast keeping the workability constant, i.e., flow value $105{\pm}5mm$, by changing the amount of water content in the mortar suitably. The specimens were cured for two different curing conditions. Firstly, these were cured wet for one day and then cured dry for 27 days. Secondly, specimens were cured wet for 7 days and then cured dry for 21 days. It has been observed that compressive strength and split tensile strength of specimens cured wet for 7 days and then cured dry for 21 days is 7-13 percent and 12-15 percent, respectively, higher than specimens cured one day dry and 27 days wet. The sorptivity of fluoropolymer modified mortar decreases by 88.56% and 91% for curing condtion one and two, respectively. However, It has been observed that on addition of 10 percent fluoropolymer both compressive and tensile strength decreases, but with the increase in percentage addition from 10 to 20 and 30 percent both the strengths starts increasing and becomes equal to that of the control specimen at 30 percent for both the curing conditions. It is further observed that percentage decrease in strength for second curing condition is relatively less as compared to the first curing condition. However, for both the curing conditions chloride ion permeability of polymer modified mortar becomes very low.
Sakr, Mohammed A.;El-khoriby, Saher R.;Khalifa, Tarek M.;Nagib, Mohammed T.
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.3
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pp.407-417
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2017
RC shear walls are considered one of the main lateral resisting members in buildings. In recent years, FRP has been widely utilized in order to strengthen and retrofit concrete structures. A number of experimental studies used CFRP sheets as an external bracing system for retrofitting of RC shear walls. It has been found that the common mode of failure is the debonding of the CFRP-concrete adhesive material. In this study, behavior of RC shear wall was investigated with three different micro models. The analysis included 2D model using plane stress element, 3D model using shell element and 3D model using solid element. To allow for the debonding mode of failure, the adhesive layer was modeled using cohesive surface-to-surface interaction model at 3D analysis model and node-to-node interaction method using Cartesian elastic-plastic connector element at 2D analysis model. The FE model results are validated comparing the experimental results in the literature. It is shown that the proposed FE model can predict the modes of failure due to debonding of CFRP and behavior of CFRP strengthened RC shear wall reasonably well. Additionally, using 2D plane stress model, many parameters on the behavior of the cohesive surfaces are investigated such as fracture energy, interfacial shear stress, partial bonding, proposed CFRP anchor location and using different bracing of CFRP strips. Using two anchors near end of each diagonal CFRP strips delay the end debonding and increase the ductility for RC shear walls.
The effect of structure size on the nominal strength of unidirectional fiber-polymer composites, failing by propagation of a kink band with fiber microbuckling, is analyzed experimentally and theoretically. Tests of novel geometrically similar carbon-PEEK specimens, with notches slanted so as to lead to a pure kink band (without shear or splitting cracks), are conducted. The specimens are rectangular strips of widths 15.875, 31.75. and 63.5 mm (0.625, 1.25 and 2.5 in and gage lengths 39.7, 79.375 and 158.75 mm (1.563, 3.125 and 6.25 in.). They reveal the existence of a strong (deterministic. non-statistical) size effect. The doubly logarithmic plot of the nominal strength (load divided by size and thickness) versus the characteristic size agrees with the approximate size effect law proposed for quasibrittle failures in 1983 by Bazant This law represents a gradual transition from a horizontal asymptote, representing the case of no size effect (characteristic of plasticity or strength criteria), to an asymptote of slope -1/2 (characteristic of linear elastic fracture mechanics. LEFM) . The size effect law for notched specimens permits easy identification of the fracture energy of the kink bandand the length of the fracture process zone at the front of the band solely from the measurements of maximum loads. Optimum fits of the test results by the size effect law are obtained, and the size effect law parameters are then used to identify the material fracture characteristics, Particularly the fracture energy and the effective length of the fracture process zone. The results suggest that composite size effect must be considered in strengthening existing concrete structural members such as bridge columns and beams using a composite retrofitting technique.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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