Numerical Evaluation of Structural Behavior of the Simply Supported FRP-RC Beams

• Main Authors: Shahrokh Esfahani, Marjan, Nilforoush Hamedani, Rasoul
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Betongbyggnad 2012
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-100876

The main problem of steel-reinforced concrete structures is corrosion of steel reinforcements which leads to premature failure of the concrete structures. This problem costs a lot annually to rehabilitate and repair these structures. In order to improve the long-term performance of reinforced concrete structures and for preventing this corrosion problem, Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars can be substituted of conventional steel bars for reinforcing concrete structures. This study is a numerical study to evaluate structural behavior of the simply supported concrete beams reinforced with FRP bars in comparison with steel-reinforced concrete beams. The commercial Finite Element Modeling program, ABAQUS, has been used for this purpose and the ability of aforementioned program has been investigated to model non-linear behavior of the concrete material. In order to evaluate the structural behavior of FRP-reinforced concrete beams in this study, two different aspects have been considered; effect of different types and ratios of reinforcements and effect of different concrete qualities. For the first case, different types and ratios of reinforcements, four types of reinforcing bars; CFRP, GFRP, AFRP and steel, have been considered. In addition, the concrete material assumed to be of normal strength quality. For verifying the modeling results, all models for this case have been modeled based on an experimental study carried out by Kassem et al. (2011). For the second case, it is assumed that all the models contain high strength concrete (HSC) and the mechanical properties of concrete material in this case are based on an experimental study performed by Hallgren (1996). Hence, for comparing the results of the HSC and NSC models, mechanical properties of reinforcements used for the second case are the same as the first case. Furthermore, a detailed study of the non-linear behavior of concrete material and FE modeling of reinforced concrete structures has been presented. The results of modeling have been presented in terms of; moment vs. mid-span deflection curves, compressive strain in the outer fiber of concrete, tensile strain in the lower tensile reinforcement, cracking and ultimate moments, service and ultimate deflections, deformability factor and mode of failure. Finally, the results of modeling have been compared with predictions of several codes and standards such as; ACI 440-H, CSA S806-02 and ISIS Canada Model. === Det största problemet med stålarmerade betongkonstruktioner är korrosion av stålarmeringen vilket leder till tidiga skador i betongkonstruktionen. Årligen åtgår stora summor till reparation och ombyggnad av konstruktioner som drabbas av detta problem. För att förbättra den långsiktiga prestandan hos armerade betongkonstruktioner, och för att förhindra korrosionsproblemet, kan konventionella stålstänger ersättas av FRP-stänger (fiberarmerade polymerkompositer) för armering av betongkonstruktioner. Detta arbete är en numerisk undersökning för att uppskatta det strukturella beteendet av fritt upplagda betongbalkar, förstärkta med FRP-stänger i jämförelse med stålarmerade betongbalkar. Det kommersiella finita element modelleringsprogrammet ABAQUS, har använts för detta ändamål. Även programmets förmåga när det gäller att modellera icke-linjära beteenden av betongmaterial har undersökts. För att uppskatta det strukturella beteendet av FRP-armerade betongbalkar har hänsyn tagits till två olika aspekter, effekten av olika armeringstyper och deras proportioner samt effekten av olika betongkvaliteter. I det första fallet har olika armeringstyper och deras proportioner, fyra typer av armeringsstänger; CFRP, GFRP, AFRP och stål betraktats. Dessutom antas att betongen har normal hållfasthet. För att kontrollera resultatet av modelleringen, har i detta fall räkneexemplen baserats på experimentella studier utförda av Kassem et al. (2011). I det andra fallet har antagits att alla modeller innehåller höghållfast betong (HSC) och även de mekaniska egenskaperna hos betongmaterialet bygger i detta fall på en experimentell studie utförd av Hallgren (1996). För att jämföra resultatet av HSC- och NSC-modeller, är armeringens mekaniska egenskaper de samma som används för det andra fallet. Vidare har en detaljerad undersökning av betongmaterialets icke-linjära beteende och FE-modellering av armerade betongkonstruktioner presenterats. Resultaten av modelleringen har presenterats i form av; kurvor för sambandet mellan moment och mittspannets nedböjning, krympning i betongens översida, förlängningen av den lägre dragarmeringen, sprickmoment och maximalt moment, service- och maximal nedböjning, formfaktor samt typ av brott. Slutligen har resultaten från modellberäkningar jämförts med förutsägelser baserade på flera regler och standarder såsom; ACI 440-H, CSA S806-02 och ISIS Canada Model.