Date of Award

11-2025

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Civil Engineering

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Tamer El Maaddawy

Abstract

Reinforced concrete (RC) columns exposed to aggressive environments are highly susceptible to corrosion-induced deterioration, resulting in significant reductions in load-carrying capacity. This research investigates the structural performance of RC circular short columns with varying levels of corrosion damage and evaluates the effectiveness of two composite-based repair techniques, namely carbon fabric-reinforced cementitious matrix (C-FRCM) and carbon fiber-reinforced polymer (C-FRP) composites, combined with concrete cover replacement. The study aims to establish these methods as practical solutions for rehabilitating corrosion-damaged columns under concentric and eccentric loading conditions. The experimental program included 30 RC column specimens tested in two phases. Phase I involved thirteen undamaged columns subjected to eccentricity-to-depth ratios (e/h) ranging from 0.0 to 0.3, eight of which were strengthened using one or two C-FRCM layers. Phase II examined seventeen corroded columns with accelerated corrosion in longitudinal bars (up to 27%) and steel ties (up to 45%), tested under the same e/h ratio range. Six corroded columns were tested without repair, while eleven were repaired using two layers of either C-FRCM or C-FRP composite wraps in the hoop direction before testing. Phase I experimental results indicated that columns with two C-FRCM layers achieved up to 39% load capacity gain under eccentric loading compared to 17% under concentric loading, whereas single-layer strengthening provided minimal improvement due to insufficient confinement and premature fabric–mortar debonding. Phase II experimental results showed that corrosion reduced load capacity by up to 41% under concentric loading and by an average of 17% under eccentric loading, with the effect diminishing at higher eccentricities as corroded tensile cover contributed minimally. Both repair systems restored original capacity, with C-FRP providing superior load capacity enhancement (80%–167%) compared to C-FRCM (49%–86%), attributed to better confinement efficiency. While premature debonding limited C-FRCM performance, it contributed to improved ductility through gradual post-peak degradation. A mechanics-based analytical model was developed and validated against experimental results and literature data to predict column capacity before and after repair. The model accounts for corrosion effects, material nonlinearities, and the interaction between internal steel tie confinement and external composite wrapping. The analytical model aligns well with experimental results and supports the use of advanced composites in the practical rehabilitation of corrosion-damaged RC columns, confirming its reliability and applicability as a simple, accurate tool for structural evaluation and retrofit design. The model also generated P–M interaction diagrams that reasonably reflected the experimental trends, validating its applicability as a robust tool for structural assessment, strengthening, and retrofit design.

Arabic Abstract


ترميم الأعمدة الخرسانية المسلحة المتضررة مسبقًا من التآكل باستخدام مواد مركبة متقدمة

تُعدّ أعمدة الخرسانة المسلحة المعرضة للبيئات العدوانية شديدة القابلية للتدهور الناتج عن التآكل، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في القدرة على حمل الأحمال. يهدف هذا البحث إلى دراسة الأداء الإنشائي للأعمدة الخرسانية المسلحة القصيرة الدائرية ذات مستويات مختلفة من ال تلف الناتج عن التآكل، وتقييم فعالية تقنيتين للإصلاح باستخدام المواد المركبة، وهما المونة الأسمنتية المسلحة بنسيج الألياف الكربونية والمركب البوليمري المقوى بألياف الكربون، مع استبدال الغطاء الخرساني. تسعى الدراسة إلى اعتماد هذه الطرق كحلول عملية لإعادة تأهيل الأعمدة المتضررة من التآكل تحت ظروف التحميل المركزي واللامركزي . شمل البرنامج التجريبي اختبار ثلاثين عمودًا خرسانيًا مسلحًا على مرحلتين. تضمنت المرحلة الأولى ثلاثة عشر عمودًا غير متضرر خضعت لنسب لامركزية إلى العمق بين (0.0 – 0.3)، ثمانية منها دُعّمت بطبقة أو بطبقتين من المونة المسلحة بنسيج الكربون. أما المرحلة الثانية فاختبرت سبعة عشر عمودًا متآكلًا بعد تعريض القضبان الطولية لتآكل متسارع بنسبة تصل إلى 27% والروابط الفولاذية بنسبة تصل إلى 45%. تم اختبار ستة أعمدة متآكلة دون إصلاح، بينما أُصلحت الأعمدة الإحدى عشرة المتبقية باستخدام طبقتين من الأغلفة المركبة في الاتجاه الحلقي . أظهرت نتائج المرحلة الأولى أن الأعمدة المقواة بطبقتين من المونة المسلحة بنسيج الكربون حققت زيادة في القدرة التحميلية تصل إلى 39 % تحت الأحمال اللامركزية مقارنة ب 17% تحت الأحمال المركزية، في حين أن التدعيم بطبقة واحدة أظهر تحسنًا محدودًا بسبب ضعف التقييد المحيطي والانفصال المبكر بين النسيج والمونة. أما نتائج المرحلة الثانية فأوضحت أن التآكل خفّض القدرة التحميلية بنسبة تصل إلى 41% تحت التحميل المركزي وبمتوسط 17 % تحت التحميل اللامركزي، مع تناقص التأثير عند نسب اللامركزية الأعلى نظراً لمساهمة محدودة للغلاف الخرساني المتآكل في منطقة الشد. استعادت تقنيتا الإصلاح القدرة الأصلية، حيث قدم المركب البوليمري المقوى بألياف الكربون تعزيزًا أكبر (زيادة بين 80 % و 167 %) مقارنة بالمونة المسلحة بنسيج الكربون (زيادة بين 49% و86%) نتيجة فعالية التقييد المحيطي الأفضل. ومع ذلك، حدّ الانفصال المبكر من أداء المونة المسلحة بنسيج الكربون، رغم مساهمته في تحسين الليونة من خلال التدهور التدريجي بعد الذرو ة . تم تطوير نموذج تحليلي يعتمد على الميكانيكا والتحقق من صحته باستخدام النتائج التجريبية وبيانات من الدراسات السابقة للتنبؤ بقدرة الأعمدة قبل وبعد الإصلاح. يأخذ النموذج في الاعتبار تأثيرات التآكل، والسلوك اللاخطي في المواد، والتفاعل بين التقييد المحيطي الداخلي للروابط الفولاذية والتغليف الخارجي، مما يوفر أداة دقيقة وبسيطة لتقييم الهياكل وتصميم الترميم. أظهر النموذج توافقًا جيدًا مع النتائج التجريبية وأنتج مخططات تفاعلية للحمل والعزم تعكس الاتجاهات التجريبية بشكل واقعي، مما يؤكد قابليته للتطبيق كأداة قوية للتقييم الهيكلي والتقوية وتصميم الترميم.

Download

Share

COinS