Date of Award

5-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Civil Engineering

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Amr M.I. Sweedan

Second Advisor

Dr. Bilal El-Ariss

Abstract

Bonding Fiber-Reinforced Polymers (FRP) is commonly used to enhance the structural performance of existing steel beams; however, the brittle failure at the adhesive risks the effectiveness of the bonded system. Fastening FRP is recently proposed to avoid the brittle failure of the adhesive. Promising outcomes of few studies on fastened FRPsteel system provoked the interest to investigate the effects of various fastening parameters on the performance of fastened FRP-steel beams.

This study investigates, experimentally and numerically, the impact of various fastening parameters on the performance of fastened FRP-steel beams. The proposed method involves fastening carbon-glass hybrid FRP (HFRP) strips to the tension flange of steel beams using FRP anchors or steel bolts. The experimental program tests forty-seven full-scale steel beams in two phases depending on the fastener material. The first phase utilized steel bolts to assess the effects of HFRP length, HFRP thickness, spacing between steel bolts and bolt layout on the behavior of the fastened HFRP-steel beams. Moreover, fiberglass FRP anchors were used in the second experimental phase to investigate the efficiency of the proposed technique while using different spacing between the FRP anchors and HFRP thicknesses. The observed failure modes along with the measured loads, deflections and strains were reported. A detailed analysis of the composite action at the HFRP-steel interface was also conducted.

The experimental results revealed a ductile failure of the strengthened beams, controlled by steel yielding, lateral torsional buckling, local buckling of the compression flange and bearing between the steel bolts and the HFRP strips. The strengthened beams exhibited yield load enhancement ranging between 4.9% and 15.1%, and improvement in the ultimate load from 8.5% to 22.2%. The results highlighted the significant influence of the bearing between steel bolts and HFRP, as well as the elastic modulus of the steel beams relative to that of the HFRP strips, on the composite action of the strengthened beams. Increasing the HFRP length enhanced the utilization of HFRP and reduced the mid-span deflection by up to 51.2%. Reducing the spacing between the bolts improved the yield and ultimate loads and enabled a better contribution of the HFRP strips to the overall stiffness of the system. Moreover, empirical equations were developed to enable predicting the ultimate load of fastened HFRP-steel beams and to anticipate the load-deflection behavior of similar strengthened beams with maximum deviation of 5.7% in the ultimate load.

Utilizing FRP anchors to fasten the HFRP strips improved the ultimate load in the range of 0.3% to 11.2%. Meanwhile, reducing the spacing between the FRP anchors enhanced the ultimate load and the composite action, and reduced the mid-span deflection by up to 39.5%. Doubling the HFRP thickness reduced the ductility of the beams due to the shear fracture of the anchors. The experimental findings emphasized the importance of using sufficient number of fasteners to avoid the system failure by anchor fracture.

ANSYS software was used to model the behavior of the strengthened beams. The developed model was validated against the experimental measurements with maximum deviation in yield and ultimate load predictions of 3% and 10.2%, respectively. The verified model was used to conduct an extensive parametric study to assess the effects of a wide spectrum of variables including; HFRP thickness, bolt spacing, steel grade, loading scheme and beam length. The numerical results verified the effectiveness of the proposed technique in enhancing the performance of the strengthened beams with up to 16.7% and 34.5% gain in the yield and ultimate loads, respectively.

Arabic Abstract


تعزيز أداء الجسور الفولاذية باستخدام مركبات الألياف المتطورة المثبتة بالمسامير

تستخدم المواد العضوية (البوليمرات) المقواة بالألياف (FRP) بشكل شائع لتحسين الأداء الإنشائي للجسور الفولاذية باستخدام المواد اللاصقة، ويعد فقدان الترابط نتيجة الانهيار الغير مرن في المادة اللاصقة أحد أهم أنماط الانهيار التي تتحكم في سلوك هذه الجسور، وقد تم حديثاً اقتراح تقنية بديلة لتثبيت الألياف الهجينة بالجسور الفولاذية باستخدام المسامير لتجنب الانهيار غير المرن للمادة اللاصقة، وقد أثارت النتائج الواعدة لعدد قليل من الدراسات الشغف لدراسة تأثير عوامل التثبيت المختلفة على أداء الجسور الفولاذية المقواة باستخدام الألياف الهجينة المثبتة بالمسامير.

يهدف البحث الحالي إلى دراسة تأثير عوامل التثبيت المختلفة على أداء الجسور الفولاذية المقواة بالألياف باستخدام الاختبارات العملية والتحليلات العددية حيث تتضمن التقنية المقترحة تثبيت الألياف الهجينة بالشفة السفلية من الجسور الفولاذية باستخدام مسامير مصنعة من الألياف الهجينة أو الفولاذ، وقد تم تطبيق البرنامج العملي على عدد سبعة وأربعين جسر فولاذي بالقياس الطبيعي وقد تم تنفيذ البرنامج على مرحلتين استناداً إلى نوع المسامير المستخدمة في عملية التثبيت. في المرحلة الأولى تم استخدام مسامير فولاذية لدراسة تأثير طول الألياف الهجينة وسمك الألياف بالإضافة إلى تأثير مسافة التباعد بين المسامير وتوزيعاتها المختلفة على أداء الجسور الفولاذية المقواة، في حين أُجريت المرحلة الثانية باستخدام مسامير من الألياف الزجاجية لتقييم فاعلية تقنية التثبيت المقترحة ودراسة تأثير تباعد المسامير وسمك الألياف المثبتة على الأداء الإنشائي للجسور الفولاذية، وتم رصد طرق انهيار الجسور الفولاذية المقواة وتقييم قوة تحملها ومرونتها بالإضافة إلى تحليل آلية توزيع الأحمال بين المواد المثبتة.

وقد كشف أظهرت النتائج حدوث انهيار مرن للجسور المقواة يمكن توصيفه بخضوع مرن للفولاذ مع انبعاج توائي جانبي للجسر، إضافة إلى انبعاج الشفة العليا وكذلك التحميل بين المسامير والألياف. كما كشف الجسور المقواة تحسن في الخضوع العملي بنسبة تتراوح بين 4.9% و15.1% وتحسن في قوة التحمل بنسبة تتراوح بين 8.5% و22.2%. وأوضحت الدراسة أهمية دور التفاعل بين المسامير والألياف الهجينة بالإضافة إلى تأثير معامل مرونة الفولاذ والألياف في تحديد آلية توزيع الأحمال بين العناصر المثبتة، بالإضافة إلى ذلك فقد أدت زيادة طول الألياف الهجينة المستخدمة إلى تعزيز الاستفادة من خصائص الألياف المثبتة و تقليل الهبوط الرأسي للجسر بنسبة تصل إلى 51.2% و تحسين التناغم بين العناصر المثبتة وتقليل الانزلاق البيني بينها، تتضمن، في حين أدى تقليل المسافة بين المسامير الفولاذية إلى زيادة في حمل الخضوع مصحوباً بتحسن في قوة تحمل الجسور الفولاذية، وزيادة مساهمة الألياف في صلابة النظام. كما استخدمت النتائج العملية لتطوير معادلات لحساب قوة تحمل الهياكل الفولاذية المقواة باستخدام الألياف هجينة مثبتة وتوقع درجة مرونتها، وقد تمت مقارنة النتائج العملية مع توقعات المعادلات حيث لم يتعد الاختلاف في قيم قوة التحمل 5.7%.

وأظهرت الدراسة أن استخدام مسامير الألياف في عملية الربط حسن من قوة تحمل الجسور الفولاذية بنسبة تتراوح بين 0.3% و 11.2% مقارنة بالجسور الغير مقواه، وقد أدى تقليل المسافة بين مسامير الألياف إلى زيادة قوة تحمل الجسر وتحسن في آلية توزيع الأحمال وتقليل الهبوط الرأسي للجسر بنسبة تصل إلى 39.5% على الصعيد الآخر فقد أدت زيادة سمك الألياف إلى تقليل مرونة الجسور الفولاذية بسبب حدوث كسر في المسامير المستخدمة في التثبيت، وعليه فقد أوصت الدراسة بضرورة استخدام عدد كاف من المسامير لتجنب الانهيار المبكر للنظام بسبب حدوث كسر في المسامير.

تم استخدام برنامج ANSYS لمحاكاة أداء الجسور الفولاذية المقواة حيث تم التحقق من دقة نماذج المحاكاة العددية المطورة عن طريق مقارنة نتائجها بالقياسات العملية حيث لم يتعد الفارق في حمل الخضوع وقوة التحمل نسبة %3 و 10.2%، على التوالي، وقد تم استخدام النموذج لإجراء دراسة واسعة النطاق لتقييم تأثير مجموعة كبيرة من العوامل تشمل تأثير سمك الألياف، ومسافة التباعد بين المسامير، ونوع الفولاذ المستخدم في الجسر، وطريقة التحميل وطول الجسر على فاعلية طريقة التثبيت المقترحة، وقد أكدت النتائج الرقمية فاعلية طريقة التثبيت في تحسين أداء الجسور الفولاذية وأظهرت تحسنًا في حمل الخضوع وقوة التحمل بنسبة تصل إلى 16.7% و 34.5%، على التوالي.

Download

Share

COinS