With the aim to provide an efficient platform for the elastic-plastic analysis of steel structures, reinforced concrete (RC) structures and steel-concrete composite structures, a program iFiberLUT based on the fiber model was developed within the framework of ABAQUS. This program contains an ABAQUS Fiber Generator which can automatically divide the beam and column cross sections into fiber sections, and a material library which includes several concrete and steel uniaxial material models. The range of applications of iFiberLUT is introduced and its feasibility is verified through previously reported test data of individual structural members as well as planar steel frames, RC frames and composite frames subjected to various loadings. The simulation results indicate that the developed program is able to achieve high calculation accuracy and favorable convergence within a wide range of applications.
In the design of earthquake resistant reinforced concrete (RC) structures, both flexural strength and deformability need to be considered. However, in almost all existing RC design codes, the design of flexural strength and deformability of RC beams are separated and independent on each other. Therefore, the pros and cons of using high-performance materials on the flexural performance of RC beams are not revealed. From the theoretical results obtained in a previous study on flexural deformability of RC beams, it is seen that the critical design factors such as degree of reinforcement, concrete/steel yield strength and confining pressure would simultaneously affect the flexural strength and deformability. To study the effects of these factors, the previous theoretical results are presented in various charts plotting flexural strength against deformability. Using these charts, a "concurrent flexural strength and deformability design" that would allow structural engineers to consider simultaneously both strength and deformability requirements is developed. For application in real construction practice where concrete strength is usually prescribed, a simpler method of determining the maximum and minimum limits of degree of reinforcement for a particular pair of strength and deformability demand is proposed. Numerical examples are presented to illustrate the application of both design methods.
Distributed-Steel Bar Reinforced Concrete (DSBRC) columns, a new and innovative construction technique for composite steel and concrete material which can alleviate the difficulty in the arrangement of the stirrup in the column, were studied experimentally and analytically in this paper. In addition, an ordinary steel Reinforced Concrete (SRC) column was also tested for comparison purpose. The specimens were subjected to quasi-static load reversals to model the earthquake effect. The experimental results including the hysteresis curve, resistance recession, skeleton curves and ductility ratio of columns were obtained, which showed well resistant-seismic behavior for DSBRC column. Meanwhile a numerical three-dimensional nonlinear finite-element (FE) analysis on its mechanical behavior was also carried out. The numerically analyzed results were then compared to the experimental results for validation. The parametric studies and investigation about the effects of several critical factors on the seismic behavior of the DSBRC column were also conducted, which include axial compression ratios, steel ratio, concrete strength and yield strength of steel bar.
The present study experimentally and analytically investigates the effect of tensile reinforcement ratio and arrangement on the behavior of FRP strengthened reinforced concrete (RC) beams. The experimental part of the program was comprised of 8 RC beams that were tested under four-point bending. Results have shown that by keeping the total cross-section area of tensile reinforcing bars constant, in specimens with a low reinforcement ratio, increasing the number and decreasing the diameter of bars in the section lead to 21% and 29% increase in the load-carrying capacity of specimens made with normal and high compressive strength, respectively. In specimens with high reinforcement ratio, a different behavior was observed. Furthermore, the accuracy of the existing code provisions and analytical models in predicting the load-carrying capacity of the FRP strengthened beams failed by premature debonding mode were evaluated. Herein, a model is proposed which considers the tensile reinforcement ratio (as opposed to code provisions) to achieve more accurate results for calculating the load carrying capacity of FRP strengthened RC beams.
Optimization is an important subject which is widely used in engineering problems. In this paper, an analytical method is developed for optimum design of reinforced concrete beams considering both flexural and shear effects. A closed-form formulation is derived for optimal height and rebar of beams. The total material cost of steel and concrete is considered as the objective function which is minimized during the optimization process. The ultimate flexural and shear capacities of the beam are considered as the main constraints. The ultimate limit state is considered for deriving the relations for flexural capacity of the beam. The design requirements are considered according to the item 9 of the Iranian National Building. Analytical formulas and some curves are proposed to be used for optimum design of RC beams. The proposed method can be used to perform the optimization of RC beams without the need of any prior knowledge in optimization. Also, the results of the studied numerical example show that the proposed method results in a better design comparing with the other methods.
Composite bonding steel plate (CBSP) is a newly developed type of structure strengthened technique applicable to the existing RC beam. This composite structure is applicable to strengthening the existing beam bearing high load. The strengthened beam consists of two layers of epoxy bonding prestressed steel plates and the RC beam sandwiched in between. The bonding enclosed and prestressed U-shaped steel jackets are applied at the beam sides. This technique is adopted in case of structures with high longitudinal reinforcing bar ratio and impracticable unloading. The prestress can be generated on the strengthening steel plates and jackets by using the CBSP technique before loading. The test results of full-scale CBSP strengthened beams show that the strength and stiffness are enhanced without reduction of their ductility. It is demonstrated that the strain hysteresis effect can be effectively overcome after prestressing on the steel plates by using such technique. The applied plates and jackets can jointly behave together with the existing beam under the action of epoxy bonding and the mechanical anchorage of the steel jackets. The simplified formulas are proposed to calculate the prestress and the ultimate capacities of strengthened beams. The accuracy of formulas was verified with the experimental results.
A detailed finite element modeling is presented for the simulation of the nonlinear behavior of reinforced concrete structures which manages to predict the nonlinear behavior of four different experimental setups with computational efficiency, robustness and accuracy. The proposed modeling method uses 8-node hexahedral isoparametric elements for the discretization of concrete. Steel rebars may have any orientation inside the solid concrete elements allowing the simulation of longitudinal as well as transverse reinforcement. Concrete cracking is treated with the smeared crack approach, while steel reinforcement is modeled with the natural beam-column flexibility-based element that takes into consideration shear and bending stiffness. The performance of the proposed modeling is demonstrated by comparing the numerical predictions with existing experimental and numerical results in the literature as well as with those of a commercial code. The results show that the proposed refined simulation predicts accurately the nonlinear inelastic behavior of reinforced concrete structures achieving numerical robustness and computational efficiency.
No significant improvement has been observed on the seismic performance of the ordinary steel reinforced concrete (SRC) columns compared with the reinforced concrete (RC) columns mainly because I, H or core cross-shaped steel cannot provide sufficient confinement for core concrete. Two improved SRC columns by constructing with new-type section steel were put forward on this background: a cross-shaped steel whose flanges are in contact with concrete cover by extending the geometry of webs, and a rotated cross-shaped steel whose webs coincide with diagonal line of the column's section. The advantages of new-type SRC columns have been proved theoretically and experimentally, while construction measures and seismic behavior remain unclear when the new-type columns are joined onto SRC beams. Seismic behavior of SRC joints with new-type section steel were experimentally investigated by testing 5 specimens subjected to low reversed cyclic loading, mainly including the failure patterns, hysteretic loops, skeleton curves, energy dissipation capacity, strength and stiffness degradation and ductility. Effects of steel shape, load angel and construction measures on seismic behavior of joints were also analyzed. The test results indicate that the new-type joints display shear failure pattern under seismic loading, and steel and concrete of core region could bear larger load and tend to be stable although the specimens are close to failure. The hysteretic curves of new-type joints are plumper whose equivalent viscous damping coefficients and ductility factors are over 0.38 and 3.2 respectively, and this illustrates the energy dissipation capacity and deformation ability of new-type SRC joints are better than that of ordinary ones with shear failure. Bearing capacity and ductility of new-type joints are superior when the diagonal cross-shaped steel is contained and beams are orthogonal to columns, and the two construction measures proposed have little effect on the seismic behavior of joints.
The reinforced concrete(RC) flexural members strengthened with steel plate/CFS at soffit have initial stresses and strains in reinforcements and concrete caused by the service loads at the time of retrofitting works. These initial residual stresses and strains of strengthened beams may affect the flexural performance of the rehabilitated beams. The objective of this study is to evaluate and verify the effectiveness of rehabilitation by external bonded steel plates and CFS to the tension face of the beams under three conditions of pre-loading. Thirteen beam specimens are tested and analyzed. Main test parameters are pre-loading conditions, strengthening materials and reinforcement ratio of specimens. The effect of test parameters on the strengthened beams is analyzed from the maximum load capacity, load-deflection relationship, state of stress of the materials. crack propagation phase, and failure modes. Both test results and design formulas of ACI Code provisions are compared and evaluated.
Lee Dae Hyoung;Park Chang Kyu;Kim Hyun Jun;Chung Young Soo
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.05a
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pp.207-210
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2005
The objective of this research is to evaluate of seismic performance for reinforced concrete bridge piers with lap splices of longitudinal reinforcement steels using predict of nonlinear hysteric behavior. For the purpose, analytical trilinear hysteretic model has been used to simulate the force displacement hysteretic curve of RC bridge piers under repeated reversal loads. The moment capacity and corresponding curvature in the plastic hinge have been determined, and the enhanced hysteretic behavior model by five different kinds of branches has been proposed for modeling the stiffness variation of RC section under cyclic loading. The strength and stiffness degradation index are introduced to compute the hysteretic curve vary confinement steel ratio. In addition, the modified curvature factor has been introduced to forecast of seismic performance of longitudinal steel lap spliced and retrofitted specimens.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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