Date of Award
11-2024
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Civil Engineering
Department
Civil and Environmental Engineering
First Advisor
Tamer El Maaddawy
Abstract
Advanced methods for rehabilitation of reinforced concrete (RC) beams with corroded reinforcement were designed and implemented in this research. The nonlinear flexural and shear behaviors of RC beams with corroded reinforcement repaired with fabric-reinforced matrix (FRM) composites were investigated. Numerical simulation models were developed to predict the flexural response of flexure-deficient continuous RC beams before and after repair with FRM composites. A novel sustainable repair solution that involves the use of cement-free geopolymeric matrix reinforced with nonmetallic fabrics was also introduced for rehabilitation of shear-critical RC beams with corroded stirrups. Simplified and easy-to-use analytical approaches were adopted to estimate the strength of the beams before and after repair with FRM composites. Laboratory tests were conducted to validate the modeling predictions. The experimental campaign related to the flexural behavior included testing and analysis of continuous RC beams with corroded reinforcement of various severity of up to 40% cross-sectional loss in either the sagging or hogging region. Results of the corroded continuous beams repaired with FRM composites were compared to those of benchmark continuous beams that were not repaired. Reinforced concrete beams with 20–40% sagging corrosion exhibited a load capacity reduction of 9–15%, while those with hogging corrosion had a maximum strength reduction of 9%. The FRM repair technique designed and implemented in this research successfully recovered the flexural performance of a control beam that was neither corroded nor repaired. The behavior of the flexure-critical continuous RC beams predicted numerically was in good agreement with that obtained from the experiments. The experimental campaign related to the shear behavior included testing of 10 shear-critical RC beam specimens with various levels of stirrup corrosion. Test variables included the level of corrosion damage in the stirrups, 15 and 50%, the type of the reinforcing fabrics, carbon (C) and polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO), and the type of the matrix, geopolymeric and cementitious. An uncorroded-unrepaired RC beam acted as a reference. The results showed that RC beams with 15 and 50% stirrup corrosion experienced respective shear strength reductions of 12 and 34%. The geopolymer-based FRM repair solution developed and implemented in this study was effective in restoring the original shear strength of the control beam, with a performance reaching 83–100% of that of the cement-based FRM repair solution. The analytical methodology adopted in the present study tended to provide reasonable conservative predictions for the flexural and shear strengths of the tested beams. The outcomes of this study would assist practitioners and researchers in proper design and implementation of innovative and sustainable solutions for rehabilitation of RC beams with corroded reinforcement.
Arabic Abstract
السلوك الإنشائي للجسور الخرسانية المسلحة ذات حديد التسليح المتاَكل بسبب الصدأ والتي تم ترميمها باستخدام مركبات المونة المدعومة بالألياف
تم تصميم وتطبيق طرق متقدمة لإعادة تأهيل الجسور الخرسانية المسلحة (RC) التي تعاني من صدأ حديد التسليح في هذا البحث. تم دراسة السلوك غير الخطي للانحناء والقص للجسور الخرسانية المسلحة ذات التسليح المتآكل التي تم ترميمها باستخدام مواد مركبة متقدمة. تم تطوير نماذج محاكاة رقمية للتنبؤ بالسلوك الانحنائي للجسور المستمرة الخرسانية المسلحة التي تعاني من ضعف وصدأ في حديد الانحناء. كما تم تقديم حل ترميم مبتكر ومستدام يتضمن استخدام مونة جيوبوليمرية خالية من الأسمنت مدعمة بألياف غير معدنية لإعادة تأهيل الجسور الضعيفة في القص ذات الكانات المتآكلة بسبب الصدأ. تم تقديم نهج تحليلي مبسط وسهل الاستخدام للتنبؤ بالحمل الأقصي للجسور قبل وبعد الترميم باستخدام المواد المركبة المتقدمة. تم إجراء اختبارات معملية للتحقق من صحة التوقعات الناتجة عن النمذجة. شملت الاختبارات المعملية المتعلقة بالسلوك الإنشائي اختبار جسور خرسانية مسلحة مستمرة مع درجات متفاوتة من تآكل حديد التسليح بسبب الصدأ تصل إلي 40%. تم مقارنة نتائج الجسور التي تم ترميمها باستخدام المونة المسلحة بالألياف (FRM) مع نتائج جسور أخري مرجعية لم يتم ترميمها. أظهرت الجسور التي تعرضت لتآكل بنسبة 20 - 40% في منطقة الشد في منتصف البحر (sagging) انخفاضًا في الحمل الأقصي بمقدار 9-15%، بينما أظهرت ال جسور التي تعرضت لتآكل في منطقة الشد عند الركيزة الوسطي (hogging) انخفاضًا أقصى قدره 9%. نجحت تقنية الترميم باستخدام (FRM) في استعادة الحمل الأقصى لل جسر المرجعي. شملت الاختبارات المعملية المتعلقة بالسلوك القصي اختبار 10 عينات من الجسور الضعيفة في القص مع درجات متفاوتة من تآكلا لكانات بسبب الصدأ. تضمنت المتغيرات التجريبية مستوى الصدأ في الكانات (15 و50%)، ونوع الألياف التسليحية المستخدمة، ونوع المونة (جيوبوليمرية وإسمنتية). أظهرت النتائج أن الجسور ذات تآكل الكانات بنسبة (15 و50%)، تعرضت لانخفاض في الحمل الأقصي ل لقص بمقدار 12 و34% بالترتيب. كان حل الترميم باستخدام المونة الجيوبوليمرية المسلحة بالألياف فعالًا للجسور المتآكلة في استعادة القوة القصية الأصلية، حيث حققت أداءً وصل إلى 83 - 100% مقارنة بحل الترمي م بالمونة الإسمنتية. بالنسبة للكمرات المستمرة المتاَكلة في حديد الانحناء، كان الأداء التنبؤي بواسطة المحاكاة العددية متوافقًا إلى حد كبير مع النتائج المعملية. أظهر النهج التحليلي المستخدم في هذه الدراسة توقعات متحفظة ومعقولة للحمل الأقصي للانحناء والقص للجسور المختبرة. ستساعد نتائج هذه الدراسة الممارسين والباحثين في تصميم وتطبيق حلول مبتكرة ومستدامة لإعادة تأهيل الجسور الخرسانية المسلحة ذات التسليح المتآكل بسبب الصدأ.
Recommended Citation
Elmezayen, Youssef Ibrahim, "STRUCTURAL BEHAVIOR OF CORRODED REINFORCED CONCRETE BEAM ELEMENTS REPAIRED WITH FABRIC-REINFORCED MATRIX COMPOSITES" (2024). Dissertations. 305.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/305
