This paper proposed a numerical investigation based on finite elements analysis (FEA) in order to study the punching shear behavior of reinforced concrete (RC) flat slabs using ABAQUS and SAP2000 programs. Firstly, the concrete and the steel reinforcements were modeled by hexahedral 3D solid and linear elements respectively, and the nonlinearity of the used materials was considered. In order to validate this model, experimental results considered in literature were compared with the proposed FE model. After validation, a parametric study was performed. The parameters include the slab thickness, the flexure reinforcement ratios and the axial membrane loads. Then, to reduce the time of FEA, a simplified modelling using 3D layered shell element and shear hinge concept was also induced. The effect of the footings settlement was studied using the proposed simplified nonlinear model as a case study. Results of numerical models showed that increase of the slab thickness by 185.7% enhanced the ultimate load by 439.1%, accompanied with a brittle punching failure. The punching failure occurred in one of the tested specimens when the tensile reinforcement ratio increased more than 0.65% and the punching capacity improved with increasing the horizontal flexural reinforcement; it decreased by 30% with the settlement of the outer footings.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2001.11a
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pp.35-40
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2001
The exact solution of strength of reinforced concrete RC columns subjected to axial compression combined with biaxial bending needs trial and adjustment procedure to find the depth and inclination of the neutral axis. Thus, approximate methods of analysis and design for biaxial bending are used in practice. Load contour interprets the relation of biaxial bending and equivalent uniaxial bending by u factor which is related to material properties and column shapes. The purpose of this study is to investigate the behavior of high strength RC columns subjected to the combined axial compression and biaxial bending. Fifteen test specimens with dimensions of 200mm$\times$200mm and 4-Dl3 longitudinal steel were examined. The variable of the test is compressive strength of concrete (350, 585, 650kgf/$cm^{2}$), compression load ratio (0.2$P_{o}}$, 0.35$P_{o}}$, 0.5$P_{o}}$), and inclination of loading ($\theta$=0, 22.5, $45^{\circ}$). Test results of coefficient $\alpha$ depending on the compressive strength of concrete are compared with ACI code.
Steel corrosion in embedded steel causes a significant durability problems and this usually propagates to structural degradation. Large-scaled concrete structures, PSC (Pre-stressed Concrete) or RC (Reinforced Concrete) structures, are usually constructed with mass concrete and require quite a long construction period. When they are located near to sea shore, chloride ion penetrates into concrete through direct or indirect exposure to marine environment, and this leads durability problems. Even if the structures are sheltered from chloride ingress outside after construction, the chloride contents which have been penetrated into concrete during the long construction period are differently evaluated from the initially mixed chloride content. In the study, chloride profiles in cores extracted from anchorage concrete block in two large-scaled suspension bridge (K and P structure) are evaluated considering the exposure periods and conditions. Total 21 cores in tendon room and chamber room were obtained, and the acid-soluble chlorides and compressive strength were evaluated for the structures containing construction period around 3 years. The test results like diffusion coefficient and surface chloride content from the construction joint and cracked area were also discussed with the considerations for maintenance.
One of the most important design criteria in underground structure is to design lightweight protective layers to resist significant blast loads. Sandwich blast resistant panels are commonly used to protect underground structures. The front face of the sandwich panel is designed to resist the blast load and the core is designed to mitigate the blast energy from reaching the back panel. The design is to allow the sandwich panel to be repaired efficiently. Hence, the underground structure can be used under repeated blast loads. In this study, a novel sandwich panel, named RC panel - Helical springs- RC panel (RHR) sandwich panel, which consists of normal strength reinforced concrete (RC) panels at the front and the back and steel compression helical springs in the middle, is proposed. In this study, a detailed 3D nonlinear numerical analysis is proposed using the nonlinear finite element software, AUTODYN. The accuracy of the blast load and RHR Sandwich panel modelling are validated using available experimental results. The results show that the proposed finite element model can be used efficiently and effectively to simulate the nonlinear dynamic behaviour of the newly proposed RHR sandwich panels under different ranges of free air blast loads. Detailed parameter study is then conducted using the validated finite element model. The results show that the newly proposed RHR sandwich panel can be used as a reliable and effective lightweight protective layer for underground structures.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.2A
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pp.259-267
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2008
The ultimate strengths of reinforced concrete deep beams are governed by the capacity of the shear resistance mechanism composed of concrete and shear reinforcing bars, and the structural behaviors of the beams are mainly controlled by the mechanical relationships according to the shear span-to-effective depth ratio, flexural reinforcement ratio, load and support conditions, and material properties. In this study, a simple indeterminate strut-tie model reflecting all characteristics of the ultimate strengths and complicated structural behaviors is presented for the design of simply supported reinforced concrete deep beams. In addition, a load distribution ratio, defined as a magnitude of load transferred by a vertical truss mechanism, is proposed to help structural designers perform the design of simply supported reinforced concrete deep beams by using the strut-tie model approaches of current design codes. In the determination of a load distribution ratio, a concept of balanced shear reinforcement ratio requiring a simultaneous failure of inclined concrete strut and vertical steel tie is introduced to ensure the ductile shear failure of reinforced concrete deep beams, and the prime design variables including the shear span-to-effective depth ratio, flexural reinforcement ratio, and compressive strength of concrete influencing the ultimate strength and behavior are reflected upon based on various and numerous numerical analysis results. In the companion paper, the validity of presented model and load distribution ratio was examined by employing them to the evaluation of the ultimate strengths of various simply supported reinforced concrete deep beams tested to failure.
To reuse a broken plain concrete (PC) arch, a retrofitting method was proposed to ensure excellent structural performances, in which carbon fiber reinforced polymers (CFRPs) were applied to repair and strengthen the damaged PC arch through bonding and wrapping techniques. Experiments were carried out to reveal the deformation and the load carrying capacity of the retrofitted composite arch. Based on the experiments, repairing and strengthening effects of the CFRP retrofitted broken arch were revealed. Simplified analysing model was suggested to predict the peak load of the CFRP retrofitted broken arch. According to the research, it is confirmed that absolutely broken PC arch can be completely repaired and reinforced, and even behaves more excellent than the intact PC arch when bonded together and strengthened with CFRP sheets. Using CFRP bonding/wrapping technique a novel efficient composite PC arch structure can be constructed, the comparison between rebar reinforced concrete (RC) arch and composite PC arch reveals that CFRP reinforcements can replace the function of steel bars in concrete arch.
Experimental study was carried out to investigate the structural performance of composite beams with steel fiber concrete and angle. For this purpose, seven specimens composed of two RC beams with or without steel fiber and five composite beams with steel fiber and angle were constructed and tested. All specimens had no web shear reinforcement. Main variables for the specimens were tensile reinforcement ratio and fiber volume fraction. Based on the test results, structural performance such as strength, stiffness, ductility and energy dissipation capacity was evaluated and compared with the predicted strength. The prediction of flexure and shear strength gives a good relationship with the observed strength. The strength, ductility and energy dissipation capacity are increased, as the fiber volume fraction is increased. Meanwhile, high tensile reinforcement ratio resulted in the reduction of ductility and energy dissipation capacity for the composite beams.
Duck-Young Jang;Jae-Won Jeong;Kang-Seok Lee;Seung-Hun Kim
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.6
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pp.94-101
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2023
In this study, the development performance of the head bars, which is SD700, was experimentally evaluated at the RC (reinforced concrete) or SFRC (steel fiber reinforced concrete external beam-column joint. A total of 10 specimens were tested, and variables such as steel fibers, length of settlement, effective depth of the beam, and stirrups of the column were planned. As a result of the experiment, the specimens showed side-face blowout, concrete breakout, and shear failure depending on the experimental variables. In the RC series experiments with development length as a variable, it was confirmed that the development strength increased by 26.5~42.2% as the development length increased by 25-80%, which was not proportional to the development length. JD-based experiments with twice the effective depth of beams showed concrete breakout failure, reducing the maximum strength by 31.5% to 62% compared to the reference experiment. The S-series experiment, in which the spacing of the shear reinforcement around the enlarged head reinforcement was 1/2 times that of the reference experiment, increased the maximum strength by 8.4 to 9.7%. The concrete compressive strength of SFRC was evaluated to be 29.3% smaller than the concrete compressive strength of RC, but the development strength of SFRC specimens increased by 7.3% to 12.2%. Accordingly it was confirmed that the development performance of the head bar was greatly improved by reinforcing the steel fiber. Considering the results of 92% and 99% of the experimental maximum strength of the experiment arranged with 92% and 110% of the KDS-based settlement length, it is judged that the safety rate needs to be considered even more. In addition, it is required to present a design formula that considers the effective depth of the beam compared to the development length.
Leonardo M. Massone;Diego Aceituno;Julian Carrillo
Advances in Computational Design
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v.8
no.1
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pp.13-36
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2023
The Puebla-Morelos Earthquake (Mw 7.1) occurred in Mexico in 2017 causing 44 buildings to collapse in Mexico City. This work evaluates the non-linear response of a 6-story reinforced concrete (RC) frame prototype model with masonry infill walls on upper floors. The prototype model was designed using provisions prescribed before 1985 and was subjected to seismic excitations recorded during the earthquakes of 1985 and 2017 in different places in Mexico City. The building response was assessed through a damage index (DI) that considers low-cycle fatigue of the steel reinforcement in columns of the first floor, where the steel was modeled including buckling as was observed in cases after the 2017 earthquake. Isocurves were generated with 72 seismic records in Mexico City representing the level of iso-demand on the structure. These isocurves were compared with the location of 16 collapsed (first-floor column failure) building cases consistent with the prototype model. The isocurves for a value greater than 1 demarcate the location where fatigue failure was expected, which is consistent with the location of 2 of the 16 cases studied. However, a slight increase in axial load (5%) or decrease in column cross-section (5%) had a significant detrimental effect on the cumulated damage, increasing the intensity of the isocurves and achieving congruence with 9 of the 16 cases, and having the other 7 cases less than 2 km away. Including column special detailing (tight stirrup spacing and confined concrete) was the variable with the greatest impact to control the cumulated damage, which was consistent with the absence of severe damage in buildings built in the 70s and 80s.
Reinforced concrete (RC) columns are crucial in building structures and they are of higher vulnerability to terrorist threat than any other structural elements. Thus it is of great interest and necessity to achieve a comprehensive understanding of the possible responses of RC columns when exposed to high intensive blast loads. The primary objective of this study is to derive analytical formulas to assess vulnerability of RC columns using an advanced numerical modelling approach. This investigation is necessary as the effect of blast loads would be minimal to the RC structure if the explosive charge is located at the safe standoff distance from the main columns in the building and therefore minimizes the chance of disastrous collapse of the RC columns. In the current research, finite element model is developed for RC columns using LS-DYNA program that includes a comprehensive discussion of the material models, element formulation, boundary condition and loading methods. Numerical model is validated to aid in the study of RC column testing against the explosion field test results. Residual capacity of RC column is selected as damage criteria. Intensive investigations using Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) methodology are then implemented to evaluate the influence of scaled distance, column dimension, concrete and steel reinforcement properties and axial load index on the vulnerability of RC columns. The generated empirical formulae can be used by the designers to predict a damage degree of new column design when consider explosive loads. With an extensive knowledge on the vulnerability assessment of RC structures under blast explosion, advancement to the convention design of structural elements can be achieved to improve the column survivability, while reducing the lethality of explosive attack and in turn providing a safer environment for the public.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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