Nancy Kachouh

Date of Award

4-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Civil Engineering

First Advisor

Tamer El Maaddawy

Abstract

This research aims to examine the performance of concrete made with recycled concrete aggregates (RCAs) and steel fibers. It comprises material characterization tests, large-scale reinforced concrete (RC) deep beam tests, and numerical modeling. Material characterization test parameters included the RCA replacement percentage (30, 70, and 100%) and the steel fiber volume fraction (vf = 1, 2, and 3%). Fourteen large-scale deep beam numerical models with and without web openings made with 100% RCAs and steel fibers were developed and validated through a comparative analysis with test results. A numerical parametric study was conducted to investigate the effect of varying key parameters on the shear response.

Plain concrete mixtures with RCAs exhibited inferior properties relative to those of a baseline mixture made with natural aggregates (NAs). The addition of steel fibers improved the hardened properties of the concrete mixtures with RCAs to an extent that exceeded the original value of some properties of their NA-based counterparts. A bilinear tensile softening law that can describe the post-cracking behavior of concrete made with RCAs and steel fibers was developed based on an inverse analysis of characterization test data. Experimental tests revealed that the addition of steel fibers in solid RC deep beams made with RCAs at vf of 1 and 2% restored 80 and 90% of the shear capacity, respectively, of a similar beam with minimum steel stirrups. The response of the RCA solid beam having vf of 3% outperformed that of the NA-based control beam with minimum steel stirrups.

The shear strength gain of the RCA-based deep beams with openings due to the inclusion of steel fibers was in the range of 39 to 84%, whereas the use of conventional steel stirrups resulted in an 18% strength gain. The use of steel fibers at vf of 1% in the RCA-based beam with openings without steel stirrups was sufficient to restore 96% of the original shear capacity of the NA-based beam with minimum steel stirrups. Results of the numerical parametric study indicated that the shear strength gain caused by the addition of steel fibers at vf of 1 and 2% was higher in the deep beam models with the lower shear span-to-depth ratio (a/h) of 0.8, relative to that of their counterparts with a/h of 1.6. The effect of a/h on the shear strength gain of the solid deep beam models diminished at the higher vf of 3%. The solid deep beam models with a/h of 0.8 exhibited a shear strength gain of 78 to 108% due to the addition of steel fibers, whereas their counterparts with web openings experienced a reduced shear strength gain of 45 to 70%.

Arabic Abstract

يهدف هذا البحث إلى اختبار أداء الخرسانة المصنوعة من الركام الخرساني المعاد تدويره (RCAs) والألياف الفولاذية. ويشتمل على اختبارات لخصائص المواد المستخدمة، واختبارات لعينات ذات احجام كبيرة للجسور الخرسانية العميقة المسلحة، وابتكار نماذج عددية لمحاكاة سلوك الجسور المختبرة. تضمنت اختبارات خصائص المواد فحص تأثير استخدام RCAs بنسب 30 و70 و 100 % وإضافة الألياف الفولاذية بنسب و 2 و 3⁒. تم ابتكار أربعة عشر نموذجًا للمحاكاة العديدة تم ابتكار أربعة عشر نموذجًا للمحاكاة العديدة لعينات ذات احجام كبيرة للجسور العميقة مع وبدون فتحات عرضية والمصنوعة من RCAs بنسبة 100⁒ والألياف الفولاذية والتحقق من دقتها من خلال مقارنات مع نتائج الاختبارات المعملية. تم إجراء دراسة باستخدام نماذج المحاكاة العددية لاكتشاف تأثير بعض المتغيرات الرئيسية على استجابة الجسور العميقة لقوى القص

خواص الخرسانة المصنوعة من RCAs كانت أدني مقارنة بخصائص الخرسانة المصنوعة من الركام الطبيعي .(NAs) أدت إضافة الألياف الفولاذية إلى تحسين الخصائص الصلبة للخرسانة المصنوعة من RCAs لتتخطى أحيانا خصائص نظيرتها المصنوعة من الركام الطبيعي. تم استنتاج قانون ليصف سلوك قوى الشد في مرحلة ما بعد حدوث الشرخ للخرسانة المصنوعة من RCAs والألياف الفولاذية بناءً على التحليل العكسي لبيانات اختبار توصيف المواد. كشفت الاختبارات التجريبية أن إضافة الألياف الفولاذية كان لها تأثير إيجابي على قدرة الجسور الخرسانية لمقاومة قوى القص حيث أدت إضافة 1 و 2% منها إلى استعادة 80 و 90 %، على التوالي، من هذه القدرة. مقاومة الجسور ال تي تحتوي على 3% من الألياف الفولاذية لقوى القص كانت أعلى من نظيراتها المصنوعة من الركام الطبيعي التي تحتوي على الحد الأدنى من حديد تسليح قوى القص التقليدي. اكتسبت الجسور العميقة التي تحتوي على فتحات عرضية والمصنوعة من RCAs بالإضافة إلى الألياف الفولاذية زيادة في مقاومة قوى القص بنسبة 39 – 84 % في حين كانت الزيادة المكتسبة للجسور التي تحتوي على حديد تسليح القص التقليدي 81 % استخدام 1 % من الألياف الفولاذية في الجسور العميقة التي تحتوي على فتحات عرضية بدون حديد تسليح القص التقليدي كان كافيا لاستعادة %96 من قدرة مقاومة قوى القص للجسور المصنوعة من الركام الطبيعي والتي تحتوي على الحد الأدنى من حديد تسليح القص التقليدي.

أظهرت نتائج دراسة تأثير المتغيرات أن قوى القص الناتجة عن اضافة الألياف الفولاذية بنسب 1 و 2% كانت أعلى في الجسور العميقة و التي لها نسبة مسافة القص إلى العمق (a/h) تساوي 8.0 ، بالنسبة إلى الجسور الاخرى ذات = a/h 1.6 تضاءل تأثير a/h على مقدار الزيادة في قدرة مقاومة قوى القص لنماذج الجسور العميقة و التي لا تحتوي على فتحات عرضية عند زيادة الألياف الفولاذية بنسبة 3٪. أظهرت نماذج المحاكاة العددية للجسور العميقة التي لا تحتوي على فتحات عرضية ذات = a/h 0.8 زيادة لقدرة مقاومة القص من 78 إلى 108⁒ بسبب إضافة الألياف الفولاذية، في حين أن نظيراتها ذات الفتحات العرضية شهدت زيادة منخفضة للقدرة على مقاومة قوى القص بنسبة 45 إلى 70⁒

Download

Share

COinS