In this study, the performance of shear deficient reinforced concrete (RC) beams with rectangular cross-sections, which were externally bonded reinforced (EBR) with high strength CFRP and GFRP strips composite along shear spans, has been experimentally and analytically investigated under vertical load. In the study, the minimum CFRP and GFRP strips width over spacing were considered. The shear beam with turned end to a bending beam was investigated by applying different composite strips. Therefore various arising in each of strength, ductility, rigidity, and energy dissipation capacity were obtained. A total of 12 small-scaled experimental programs have been performed. Beam dimensions have been taken as 100×150×1000 mm. Four beams have been tested as unstrengthened samples. This paper focuses on the effect of minimum CFRP and GFRP strip width on behaviours of RC beams shear-strengthened with full-wrapping, U-wrapping, and U-wrapping+longitudinal bonding strips. Strengthened beams showed significant increments for flexural ductility, energy dissipation, and inelastic performance. The full wrapping strips applied against shear failure have increased the load-carrying capacity of samples 53%-63% interval rate. Although full wrapping is the best strengthening choice, the U-wrapping and U-wrapping+longitudinal strips of both CFRP and GFRP bonding increased the shear capacity by 53%~75% compared to the S2 sample. In terms of ductility, the best result has been obtained by the type of strengthening where the S5 beam was completely GFRP wrapped. The experimental results were also compared with the analytically given by ACI440.2R-17, TBEC-2019 and FIB-2001. Especially in U-wrapped beams, the estimation of FIB was determined to be 81%. The estimates of the other codes are far from meeting the experimental results; therefore, essential improvements should be applied to the codes, especially regarding CFRP and GFRP deformation and approaches for longitudinal strip connections. According to the test results, it is suggested that GFRP, which is at least as effective but cheaper than CFRP, may be preferred for strengthening applications.
This paper presents an experimental study to assess the effectiveness of using ferrocement to strengthen deficient beam-column joints. Ferrocement is proposed to protect the joint region through replacing concrete cover. Six exterior beam-column joints, including two control specimens and four strengthened specimens, are prepared and tested under constant axial load and quasi-static cyclic loading. Two levels of axial load on column (0.2fc'Ag and 0.4fc'Ag) and two types of skeletal reinforcements in ferrocement (grid reinforcements and diagonal reinforcements) are considered as test variables. Experimental results have indicated that ferrocement as a composite material can enhance the seismic performance of deficient beam-column joints in terms of peak horizontal load, energy dissipation, stiffness and joint shear strength. Shear distortions within the joints are significantly reduced for the strengthened specimens. High axial load (0.4fc'Ag) has a detrimental effect on peak horizontal load for both control and ferrocement-strengthened specimens. Specimens strengthened by ferrocement with two types of skeletal reinforcements perform similarly. Finally, a method is proposed to predict shear strength of beam-column joints strengthened by ferrocement.
Halahla, Abdulsamee M.;Rahman, Muhammad K.;Al-Gadhib, Ali H.;Al-Osta, Mohammed A.;Baluch, Mohammed H.
Earthquakes and Structures
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v.17
no.4
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pp.337-354
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2019
This paper presents the results of experimental and numerical studies conducted to investigate the behavior of exterior reinforced concrete beam column joints (BCJ) strengthened by using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets. Twelve reinforced concrete beam-column joints (BCJ) were tested in an experimental program by simulating the joints in seismically deficient old buildings. One group of BCJs was designed to fail in flexure at the BCJ interface, and the second group was designed to ensure joint shear failure. One specimen in each set was -retrofitted with CFRP sheet wrapped diagonally around the joint. The specimens were subjected to both monotonic and cyclic loading up to failure. 3D finite element simulation of the BCJs tested in the experimental program was carried out using the software ABAQUS, adopting the damage plasticity model (CDP) for concrete. The experimental results showed that retrofitting of the shear deficient, BCJs by CFRP sheets enhanced the strength and ductility and the failure mode changed from shear failure in the joints to the desired flexural failure in the beam segment. The FE simulation of BCJs showed a good agreement with the experimental results, which indicated that the CDP model could be used to model the problems of the monotonic and cyclic loading of beam-column reinforced concrete joints.
The primary objective of this paper is to study the effectiveness of anchorage on the performance of shear deficient beams externally strengthened with CFRP composites. The overall behavior of the tested beams loaded up to failure, the onset of the cracking, and crack development with increased load and ductility were described. The use of CFRP composites is an effective technique to enhance the shear capacity of RC beams by using CFRP strips anchored into the tension side and from the top by 15-34% based on the investigated variables. Bonded anchorage of CFRP strips with width of 0.1h-0.3h to the beam resulted in a decrease in average interface bond stress and an increase in the effective strain of the FRP sheet at failure, which resulted in a higher shear capacity as compared with that of the U-wrapped beams without anchorage as well as delay or mitigate the sheet debonding from the concrete surface.
Akbar, Junaid;Ahmad, Naveed;Alam, Bashir;Ashraf, Muhammad
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.1
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pp.1-8
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2018
Shake table tests performed on five 1:3 reduced scale two story RC moment resisting frames having construction defects, have shown severe joint damageability in deficient RC frames, resulting in joint panels' cover spalling and core concrete crushing. Haunch retrofitting technique was adopted herein to upgrade the seismic resistance of the deficient RC frames. Additional four deficient RC frames were built and retrofitted with steel haunch; both axially stiffer and deformable with energy dissipation, fixed to the beam-column connections to reduce shear demand on joint panels. The as-built and retrofitted frames' seismic response parameters are calculated and compared to evaluate the viability of haunch retrofitting technique. The haunch retrofitting technique increased the lateral stiffness and strength of the structure, resulting in the increase of structure's overstrength. The retrofitting increased response modification factor R by 60% to 100%. Further, the input excitation PGA was correlated with the lateral roof displacement to derive structure response curve that have shown significant resistance of retrofitted models against input excitations. The technique can significantly enhance the seismic performance of deficient RC frames, particularly against the frequent and rare earthquake events, hence, promising for seismic risk mitigation.
Altin, Sinan;Anil, Ozgur;Toptas, Tolga;Kara, M. Emin
Steel and Composite Structures
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v.11
no.3
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pp.207-223
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2011
The results of an experimental investigation are presented in this paper for retrofitting of shear damaged reinforced concrete beams by using U shaped CFRP strips. The experimental program is consisted of seven shear deficient T cross sectioned 1/2 scale simply supported beam specimens. One beam was used as reference specimen, and the remaining six specimens were tested in two stages. At the first stage, specimens were shear damaged severely, and then were retrofitted by using CFRP strips with or without fan type anchorages. Finally, retrofitted beams were tested up to failure. Three different CFRP strip spacing were used such as 125 mm, 150 mm, and 200 mm. The effect of anchorages on shear strength and behavior of the retrofitted specimens is investigated. CFRP strips without anchorages improved the shear strength, but no flexural failure mode was observed. Specimens showed brittle shear failure due to peeling of CFRP strip from RC beam surface. Shear damaged specimens retrofitted with anchoraged CFRP strips showed improved shear strength and ductile flexural failure. Maximum strains at anchoraged strips were approximately 68% larger than that of strips without anchorages.
Several techniques have been developed for shear strengthening of reinforced concrete (RC) members by using fiber reinforced polymer (FRP) composites. However, debonding of FRP retrofits from concrete substrate still deemed as a challenging concern in their application which needs to be scrutinized in details. As a result, this paper reports on the results of an experimental investigation on shear strengthening of RC beams using near surface mounted (NSM) FRP reinforcing bars. The main objective of the experimentation was increasing the efficiency of shear retrofits by precluding/postponing the premature debonding failure. The experimental program was comprised of six shear deficient RC beams. The test parameters include the FRP rebar spacing, inclination angle, and groove shape. Also, an innovative modification was introduced to the conventional NSM technique and its efficiency was evaluated by experimental observation and measurement. The results testified the efficiency of glass FRP (GFRP) rebars in increasing the shear strength of the test specimens retrofitted using conventional NSM technique. However, debonding of FRP bars impeded exploiting all retrofitting advantages and induced a premature shear failure. On the contrary, application of the proposed modified NSM (MNSM) technique was not only capable of preventing the premature debonding of FRP bars, but also could replace the failure mode of specimen from the brittle shear to a ductile flexural failure which is more desirable.
Basalt fiber is an eco-friendly fiber and comparatively newer to the world of fiber-reinforced polymer (FRP) composites. A limited number of studies have been reported in the literature on the strengthening of reinforced concrete (RC) beams with basalt fiber reinforced polymer (BFRP). The present experimental work explores the feasibility of using the BFRP strips for shear strengthening of the RC beams. The strengthening schemes include full wrap and U-wrap. A simple mechanical anchorage scheme has been introduced to prevent the debonding of U-wrap as well as to utilize the full capacity of the BFRP composite. The effect of varying shear span-to-effective depth (a/d) ratio on the behavior of shear deficient RC beams strengthened with BFRP strips under different schemes is examined. The RC beams were tested under a four-point loading system. The study finds that the beams strengthened with and without BFRP strips fails in shear for a/d ratio 2.5 and the enhancement of the shear capacity of strengthened beams ranges from 5% to 20%. However, the strengthened beams fail in flexure, and the control beam fails in shear for a higher a/d ratio, i.e., 3.5. The experimental results of the present study have been compared with the analytical study and found that the latter gives conservative results.
Five previously-tested reinforced concrete frames were modelled using a nonlinear finite element analysis procedure to demonstrate the accurate response simulations for seismically-deficient frames through pushover analyses. The load capacities, story drifts, and failure modes were simulated. This procedure accounts for the effects of shear failures and the shear-axial force interaction, and thus is suitable for modeling seismically-deficient frames. It is demonstrated that a comprehensive analysis method with a capability of simulating material constitutive response and significant second-order mechanisms is essential in achieving a satisfactory response simulation. It is further shown that such analysis methods are invaluable in determining the expected seismic response, safety, and failure mode of the frame structures for a performance-based seismic evaluation. In addition, a new computer program was developed to aid researchers and engineers in the direct displacement-based seismic design process by assessing whether a frame structure meets the code-based performance requirements by analyzing the analysis results. As such, the proposed procedure facilitates the performance-based design of new buildings as well as the numerical assessment and retrofit design of existing buildings. A sample frame analysis was presented to demonstrate the application and verification of the approach.
Reinforced concrete shear wall is one of the most common structural forms for high-rise buildings, and seismic energy dissipation techniques, which are effective means to control structural vibration response, are being increasingly used in engineering. Reinforced concrete-mild steel damper stiffness-tandem energy dissipation coupling beams are a new technology being gradually adopted by more construction projects since being proposed. Research on this technology is somewhat deficient, and this paper investigates design principles and methods for two types of mild steel dampers commonly used for energy dissipation coupling beams. Based on the conception design of R.C. shear wall structure and mechanics principle, the basic design theories and analytic expressions for the related optimization parameters of dampers at elastic stage, yield stage, and limit state are derived. The outcomes provide technical support and reference for application and promotion of reinforced concrete-mild steel damper stiffness-tandem energy dissipation coupling beam in engineering practice.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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