Polymer matrix composites are widely used in many engineering applications as they can be customized to meet a desired performance while not only maintaining low cost but also reducing weight. Polymers can experience viscoelastic-viscoplastic response when subjected to external loadings. Various reinforcements and fillers are added to polymers which bring out more complexity in analyzing the timedependent response. This study formulates an integrated micromechanical model and finite element (FE) analysis for predicting effective viscoelastic-viscoplastic response of polymer based hybrid composites. The studied hybrid system consists of unidirectional short-fiber reinforcements and a matrix system which is composed of solid spherical particle fillers dispersed in a homogeneous polymer constituent. The goal is to predict effective performance of hybrid systems having different compositions and properties of the fiber, particle, and matrix constituents. A combined Schapery's viscoelastic integral model and Valanis's endochronic viscoplastic model is used for the polymer constituent. The particle and fiber constituents are assumed linear elastic. A previously developed micromechanical model of particle reinforced composite is first used to obtain effective mechanical properties of the matrix systems. The effective properties of the matrix are then integrated to a unit-cell model of short-fiber reinforced composites, which is generated using the FE. The effective properties of the matrix are implemented using a user material subroutine in the FE framework. Limited experimental data and analytical solutions available in the literatures are used for comparisons.
When subjected to fatigue loading, the main failure mode of partially prestressed concrete (PPC) structure is the fatigue fracture of tensile reinforcement. Therefore, monitoring and evaluation of the steel stresses/strains in the structure are essential issues for structural design and healthy assessment. The current study experimentally investigates the possibility of using fiber Bragg grating (FBG) sensors to measure the steel strains in PPC beams in the process of fatigue loading. Six full-scale post-tensioned PPC beams were exposed to fatigue loading. Within the beams, the FBG and resistance strain gauge (RSG) sensors were independently bonded onto the surface of tensile reinforcements. A good agreement was found between the recorded results from the two different sensors. Moreover, FBG sensors show relatively good resistance to fatigue loading compared with RSG sensors, indicating that FBG sensors possess the capability for long-term health monitoring of the tensile reinforcement in PPC structures. Apart from the above findings, it can also be found that during the fatigue loading, there is stress redistribution between prestressed and non-prestressed reinforcements, and the residual strain emerges in the non-prestressed reinforcement. This phenomenon can bring about an increase of the steel stress in the non-prestressed reinforcement.
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.12
no.2
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pp.230-242
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2012
Recently the Permanent Uni-wall System (PUS) has been developed which improved the disadvantage of the Cast-In-Place Concrete Pile (CIP) and could be used as permanent retaining wall. In this study, joints between PUS and floor systems were developed. From analyses of the characteristics of design and construction of PUS, shear friction reinforcements with couplers were adopted for shear design of the joints. Twelve types of joints were developed which were classified according to the types of floor structures, wale, and piles of PUS. Two typical joints were tested and the joints showed satisfactory behaviors on the points of shear strength, stiffness, and serviceability. Especially the shear strengths were much higher than the design strengths due to the shear keys which were by-products in splicing shear reinforcements. However, the shear strength of the joint is recommended to be designed by only shear friction reinforcement because shear key is not reliable and too brittle.
Georgiades, Anastasis V.;Saha, Gobinda C.;Kalamkarov, Alexander L.;Rokkam, Srujan K.;Newhook, John P.;Challagulla, Krishna S.
Smart Structures and Systems
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v.1
no.4
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pp.369-384
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2005
The main objectives of this paper are to demonstrate the feasibility of using newly developed smart GFRP reinforcements to effectively monitor reinforced concrete beams subjected to flexural and creep loads, and to develop non-linear numerical models to predict the behavior of these beams. The smart glass fiber-reinforced polymer (GFRP) rebars are fabricated using a modified pultrusion process, which allows the simultaneous embeddement of Fabry-Perot fiber-optic sensors within them. Two beams are subjected to static and repeated loads (until failure), and a third one is under long-term investigation for assessment of its creep behavior. The accuracy and reliability of the strain readings from the embedded sensors are verified by comparison with corresponding readings from surface attached electrical strain gages. Nonlinear finite element modeling of the smart concrete beams is subsequently performed. These models are shown to be effective in predicting various parameters of interest such as crack patterns, failure loads, strains and stresses. The strain values computed by these numerical models agree well with corresponding readings from the embedded fiber-optic sensors.
The objective of this study is to devise an alternative strengthening method to the ones available in the literature. So, external steel members were used to enhance both flexural and shear capacities of reinforced concrete (RC) beams having insufficient shear capacity. Two types of RC beams, one without stirrups and one with lacking stirrups, were prepared in the study. These beams were strengthened with external steel clamps devised by the authors and with external longitudinal reinforcements. Although the use of clamps alone didn't have a significant effect on the load carrying capacity of the tested beams, the ductility increased approximately tenfold and the failure behavior changed from brittle to ductile. Although the use of clamps and longitudinal reinforcements together did not significantly increase the ductility of the beams, it approximately doubled their load capacities. The results of the experimental study were compared to the ones obtained from nonlinear finite element analysis (NLFEA) and it was observed that they were compatible. Finally, it can be concluded that the devised method could be applied to structural members as an alternative to methods in application due to lightness, low-cost, easy applicable and reliable.
To study the eccentric compression behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) columns, six UHPFRC columns and one high-strength concrete (HSC) column were tested. Variation parameters include load eccentricity, volume of steel fibers and stirrup ratio. The crack pattern, failure mode, bearing capacity, and deformation of the specimens were studied. The results showed that the UHPFRC columns had different failure modes. The large eccentric compression failure mode was the longitudinal tensile reinforcements yielded and many horizontal cracks appeared in the tension zone. The small eccentric compression failure mode was the longitudinal compressive reinforcements yielded and vertical cracks appeared in the compressive zone. Because of the bridging effect of steel fibers, the number of cracks significantly increased, and the width of cracks decreased. The load-deflection curves of the UHPFRC columns showed gradually descending without sudden dropping, indicating that the specimens had better deformation. The finite element (FE) analysis was performed to stimulate the damage process of the specimens with monotonic loading. The concrete damaged plasticity (CDP) model was adopted to characterize the behaviour of UHPFRC. The contribution of the UHPFRC tensile strength was considered in the bearing capacity, and the theoretical calculation formulas were derived. The theoretical calculation results were consistent with the test results. This research can provide the experimental and theoretical basis for UHPFRC columns in engineering applications.
Reinforced concrete (RC) deep beams are critical structural elements used in offshore pile caps, rectangular cross-section water tanks, silo structures, transfer beams in high-rise buildings, and bent caps. As a result of the low shear span ratio to effective depth (a/d) in deep beams, arch action occurs, which leads to shear failure. Several studies have been carried out to improve the shear resistance of RC deep beams and avoid brittle fracture behavior in recent years. This study was performed to investigate the behavior of RC deep beams numerically and experimentally with different reinforcement arrangements. Deep beams with four different reinforcement arrangements were produced and tested under monotonic static loading in the study's scope. The horizontal and vertical shear reinforcement members were changed in the test specimens to obtain the effects of different reinforcement arrangements. However, the rebars used for tension and the vertical shear reinforcement ratio were constant. In addition, the behavior of each deep beam was obtained numerically with commercial finite element analysis (FEA) software ABAQUS, and the findings were compared with the experimental results. The results showed that the reinforcements placed diagonally significantly increased the load-carrying and energy absorption capacities of RC deep beams. Moreover, an apparent plastic plateau was seen in the load-displacement curves of these test specimens in question (DE-2 and DE-3). This finding also indicated that diagonally located reinforcements improve displacement ductility. Also, the numerical results showed that the FEM method could be used to accurately predict RC deep beams'behavior with different reinforcement arrangements.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.4
s.50
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pp.85-94
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2006
In the design of bridge piers in seismic area, the ductility requirement is the most important factor. In order to enhance the seismic performance of RC columns, it is necessary to make the ductility of columns larger by covering RC columns with steel tubes or confining RC columns by arranging transverse reinforcements such as hoop ties closely. Using core steel composite columns is useful as one of the reinforcing RC columns. In this paper, quasi-static tests on concrete encased composite columns with single core steel or multiple steel elements were performed to investigate the seismic performance of the composite columns. Eight concrete-encased composite specimens were fabricated. The cross-sections of these specimens are composed of concrete-encased H-shaped structural steel columns and a concrete-encased circular tube with partial in-filled concrete. Test parameters were the amount of the transverse reinforcements, type and number of encased steel member. Through the tests, it was evaluated the ductility of SRC composite specimens. It has become clear from the test results that encased steel elements makes the deformation capacity of the columns to be larger. The displacement ductility and lateral strength of specimen with concrete-encased circular tube were indicated the biggest value.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.6
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pp.663-673
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2011
In this study, we analysed the effect of the fire source in the warehouse under the bridge and the height of the bridge using FDS code. To compare accuracy of simulation results, we simulated the experimental result with unit combustibles which is heptane as well as the mock-up test. Using this method, we evaluated the fire safety of the bridge which contains spalling and strength damage of concrete as well as damage of reinforcements according to the fire source and the height of the bridge. Most of the bridges are vulnerable to spalling of concrete. The book combustion has the strongest fire intensity which is expected to damage the bridge less than 30m height in the three types of the fire sources. The bridge over the 30m height can ensure the fire safety in the case of the rubber combustion.
Kim, Sang-Woo;Kim, Do-Jin;Yoon, Hye-Sun;Baek, Sung-Cheol;Kim, Kil-Hee
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.22
no.4
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pp.527-534
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2010
This study presents a simple method to improve the bond performance of reinforced concrete (RC) beams having high-strength shear reinforcement. In general, the yield strength and the ratio of shear reinforcements are the main parameters governing the shear capacity of RC beams. The yield strength of shear reinforcement, however, has little influence on the bond capacity of RC beams. Therefore, a sudden bond failure of the members with high-strength shear reinforcement can occur before flexural failure. To estimate the structural performance of the proposed method, four RC beams were cast and tested. The main test parameters were the yield strength, ratio, and reinforcing types of shear reinforcements. The experimental results indicated that the proposed method was able to effectively improve the bond performance of RC beams with high-strength shear reinforcement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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