This paper presents a finite element (FE) model for predicting the nonlinear response and behavior of a reinforced concrete T-beam deficient in shear under cyclic loading. Cracking loads, failure loads, response hysteresis envelopes and crack patterns were used as bench mark for comparison between experimental and FE results. A parametric study was carried out to predict the optimum combination of the open and close crack shear transfer coefficients (${\beta}_t$ and ${\beta}_c$) of the constitutive material model for concrete. It is concluded that when both shear transfer coefficients are equal to 0.2 the FE results gave the best correlation with the experimental results. The results were also verified on a rectangular shear deficient beam (R-beam) tested under cyclic loading and it is concluded that the variation of section geometry has no effect on the optimum choice of the values of shear transfer coefficients of 0.2. In addition, a parametric study based on the variation of concrete compressive strength, was carried out on the T-beam and it is observed that the variation of concrete compressive strength has little effect on the deflection. Further conclusions and observations were also drawn.
Gemi, Lokman;Alsdudi, Mohammed;Aksoylu, Ceyhun;Yazman, Sakir;Ozkilic, Yasin Onuralp;Arslan, Musa Hakan
Steel and Composite Structures
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v.43
no.6
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pp.735-757
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2022
The behavior of shear deficient under-balanced reinforced concrete beams with rectangular cross-sections, which were externally strengthened with CFRP composite along shear spans, was experimentally investigated under vertical load. One of the specimens represents a reference beam without CFRP strengthening and the other specimens have different width/strip spacing ratios (wf/sf). The optimum strip in terms of wf/sf, which will bring the beam behavior to the ideal level in terms of strength and ductility, was determined according to the regulations. When the wf/sf ratio exceeds 0.55, the behavior of the beam shifted from shear failure to bending failure. However, it has been observed that the wf/sf ratio should be increased up to 0.82 in order for the beam to reach sufficient shear reserve value according to the codes. It is also observed that the direction and weight of the CFRP composite are one of the most critical factors and 240 gr/m2 CFRP strips experienced sudden ruptures in the shear span after the cracking of the concrete. It is considered as a deficiency that the empirical shear capacity formulas given for the beams reinforced with CFRP in the regulations do not take into account both direction and weight of CFRP composites.
Many methods are developed for strengthening of reinforced concrete structural members against the effects of shear. One of the commonly used methods in recent years is turned out to be bonding of fiber reinforced polymers (FRP). Impact loading is one of the important external effects on the reinforced concrete structural members during service period among the others. The determination of magnitude, the excitation time, deformations and stress due to impact loadings are complicated and rarely known. In recent year impact behavior of reinforced concrete members have been researched with experimental studies by using drop-weight method and numerical simulations are done by using finite element method. However the studies on the strengthening of structural members against impact loading are very seldom in the literature. For this reason, in this study impact behavior of shear deficient reinforced concrete beams that are strengthened with carbon fiber reinforced polymers (CFRP) strips are investigated experimentally. Compressive strength of concrete, CFRP strips spacing and impact velocities are taken as the variables in this experimental study. The acceleration due to impact loading is measured from the specimens, while velocities and displacements are calculated from these measured accelerations. RC beams are modeled with ANSYS software. Experimental result and simulations result are compared. Experimental result showed that impact behaviors of shear deficient RC beams are positively affected from the strengthening with CFRP strip. The decrease in the spacing of CFRP strips reduced the acceleration, velocity and displacement values measured from the test specimens.
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.
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.
The present paper summarizes the results of an experimental program on the influence of using waste lathe scraps in the concrete mixture on the shear behavior of RC beams with different amounts of shear reinforcement. Three different volumetric ratios (1, 2 and %3) for the scraps and three different stirrup spacings (160, 200 and 270 mm) were adopted in the tests. The shear span-to-depth ratios of the beams were 2.67 and the stirrup spacing exceeded the maximum spacing limit in the building codes to unfold the contribution of lathe scraps to the shear resistances of shear-deficient beams, subject to shear-dominated failure (shear-tension). The experiments depicted that the lathe scraps have a pronounced contribution to the shear strength and load-deflection behavior of RC beams with widely-spaced stirrups. Namely, with the addition of 1%, 2% and 3% waste lathe scraps, the load-bearing capacity escalated by 9.1%, 21.8% and 32.8%, respectively, compared to the reference beam. On the other hand, the contribution of the lathe scraps to the load capacity decreases with decreasing stirrup spacing, since the closely-spaced stirrups bear the shear stresses and render the contribution of the scraps to shear resistance insignificant. The load capacity, deformation ductility index (DDI) and modulus of toughness (MOT) values of the beams were shown to increase with the volumetric fraction of scraps if the stirrups are spaced at about two times the beam depth. For the specimens with a stirrup spacing of about the beam depth, the scraps were found to have no considerable contribution to the load capacity and the deformation capacity beyond the ultimate load. In other words, for lathe scrap contents of 1-3%, the DDI values increased by 5-23% and the MOT values by 63.5-165% with respect to the reference beam with a stirrup spacing of 270 mm. The influence of the lathe scraps to the DDI and MOT values were rather limited and even sometimes negative for the stirrup spacing values of 160 and 200 mm.
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 paper presents a simplified force-based seismic design procedure for the preliminary design of steel haunch retrofitting for the seismic upgrade of deficient RC frames. The procedure involved constructing a site-specific seismic design spectrum for the site, which is transformed into seismic base shear coefficient demand, using an applicable response modification factor, that defines base shear force for seismic analysis of the structure. Recent experimental campaign; involving shake table testing of ten (10), and quasi-static cyclic testing of two (02), 1:3 reduced scale RC frame models, carried out for the seismic performance assessment of both deficient and retrofitted structures has provided the basis to calculate retrofit-specific response modification factor Rretrofitted. The haunch retrofitting technique enhanced the structural stiffness, strength, and ductility, hence, increased the structural response modification factor, which is mainly dependent on the applied retrofit scheme. An additional retrofit effectiveness factor (ΩR) is proposed for the deficient structure's response modification factor Rdeficient, representing the retrofit effectiveness (ΩR=Rretrofitted /Rdeficient), to calculate components' moment and shear demands for the retrofitted structure. The experimental campaign revealed that regardless of the deficient structures' characteristics, the ΩR factor remains fairly the unchanged, which is encouraging to generalize the design procedure. Haunch configuration is finalized that avoid brittle hinging of beam-column joints and ensure ductile beam yielding. Example case study for the seismic retrofit designs of RC frames are presented, which were validated through equivalent lateral load analysis using elastic model and response history analysis of finite-element based inelastic model, showing reasonable performance of the proposed design procedure. The proposed design has the advantage to provide a seismic zone-specific design solution, and also, to suggest if any additional measure is required to enhance the strength/deformability of beams and columns.
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.
Prior to the introduction of modern seismic guidelines, it was a common practice to provide straight bar anchorage for beam bottom reinforcement of gravity load designed building. Exterior joints with straight bar anchorages for beam bottom reinforcements are susceptible to sudden anchorage failure under load reversals and hence require systematic seismic upgradation. Hence in the present study, an attempt is made to upgrade exterior beam-column sub-assemblage of a three storied gravity load designed (GLD) building with single steel haunch. Analytical formulations are presented for evaluating the haunch forces in single steel haunch retrofit. Influence of parameters that affect the efficacy and effectiveness of the single haunch retrofit are also discussed. The effectiveness of the single haunch retrofit for enhancing seismic performance of GLD beam-column specimen is evaluated through experimental investigation under reverse cyclic loading. The single steel haunch retrofit had succeeded in preventing the anchorage failure of beam bottom bars of GLD specimen, delaying the joint shear damage and partially directing the damage towards the beam. A remarkable improvement in the load carrying capacity of the upgraded GLD beam-column sub-assemblage is observed. Further, a tremendous improvement in the energy dissipation of about 2.63 times that of GLD specimen is observed in the case of upgraded GLD specimen. The study also underlines the efficacy of single steel haunch retrofit for seismic upgradation of deficient GLD structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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