Date of Award

6-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Ahmed Godat

Second Advisor

Dr. Said Elkhouly

Abstract

An extensive number of existing structures persistently exposed to fatigue loading such as bridges, offshore structures, pavements, and highways, are in urgent need of repairing and strengthening. This may be attributed to the continuous increase in the load requirements, change of the structure’s function, and meeting current load standards. Among the potential methods of rehabilitation and strengthening of existing reinforced concrete structures, the externally bonding fiber reinforced polymers (FRP) composites are gaining massive popularity and becoming a viable and cost-effective method. Shear failure of reinforced concrete (RC) beams is known to be brittle, which occurs without prior sufficient warnings; therefore, the need for shear strengthening is crucial and definitely requires attention to hinder such catastrophic failure. A formidable number of experimental and numerical studies available in the literature have been carried out on statically loaded FRP shear-strengthened beams. To the best of the author’s knowledge, bounded studies have particularly addressed the behavior of FRP shear-strengthened beams under fatigue loading. Hence, the principal objective of this study is to develop a versatile and reliable two-dimensional non-linear finite element (FE) model that is able to accurately predict the response of externally bonded FRP shear-strengthened beams and to trace its failure progress. This is performed through the utilization of VecTor2 finite element software with implementing of appropriate constitutive and structural models as regards to the concrete, reinforcing steel, and FRP materials. This research study is carried out in two phases. In the first phase, the reliability of the FE model is assessed against a series of published experimental tests under fatigue loading conducted on un-strengthened reinforced concrete beams. The numerical predictions were compared to the experimental results in terms of fatigue monotonic and fatigue cyclic loadings. Due to the wide discrepancies between the numerical model results and the experimental ones, an external concrete damage model is adopted from literature to improve the numerical fatigue monotonic results. In this study, a new concrete damage model that relates the current number of cycles to the total number of cycles is developed for the fatigue cyclic load applications. Using the new concrete damage model, accurate numerical fatigue cyclic predictions are obtained compared to the experimental results. In the second phase, the finite element model is utilized to investigate the effect of fatigue loading on RC beams when FRP sheets and strips are externally added. Two modelling approaches are adopted to simulate the FRP: (i) discrete truss elements, and (ii) smeared elements. The two approaches are validated against published experimental results. The predicted results are shown to compare very well with the test results when discrete truss elements are employed for the FRP. Furthermore, the numerical model provides useful information on the stress profiles, crack patterns and failure modes for various number of load cycles.

Arabic Abstract


التمثيل العددى لعوارض خرسانية مقواه خارجياً من إجهاد قوى القص باستخدام البوليمر المعزز بالألياف و خاضعة لأحمال دورية

أعداد كبيرة من الهياكل الموجودة حاليأ كالجسور، الأرصفة، الطرق السريعة، والهياكل البحرية التي تتعرض باستمرار لأحمال الإجهاد في حاجه ملحة للإصلاح والتقوية. يعود ذلك إلى وجود زيادة مستمرة في الأحمال، تغيير استخدام البنيان، وتلبية أساسيات الأحمال الحالية. وفقا لذلك، تم الإشارة إلى أهمية وجود تقنية التقوية وهي تقنية فعالة، متينة، وسريعة. حاليا، ومن هذا المنطلق شهد المجال العلمي تطوراً لطرق كثيرة استخدمت لتقوية الهياكل الخرسانية المسلحة. غير أن مركبات البوليمر المقوى بالألياف الداعمة خارجياً هي من ضمن الوسائل الاقتصادية لإصلاح وتأهيل الهياكل الخرسانية المسلحة الحالية والتي اكتسبت شعبية كبيرة وأصبحت قابلة للتطبيق. وبالإجماع، أتُفق على أن هذه المركبات مقاومة للتآكل، ذات قوة و متانة عالية، وزنها خفيف، ولها توصيل حراري منخفض كما أنها مرنه في التطبيق مقارنة بالإستخدام التقليدي لألواح الحديد كرابط خارجي. ليس هذا فقط، ولكن من المعروف أن الفشل في قوى القص المتعلق بالعوارض الخرسانية المسلحة يحدث دون تحذيرات كافية مسبقة لذلك فإن الحاجة إلى التقوية بالغة في الأهمية وبالتأكيد تتطلب لفت الانتباه إلى ضرورة تفادي حدوث هذا الفشل الكارثي. بالإضافة إلى ذلك، فبالنظر إلى الأبحاث المنشورة، يوجد عدد هائل من الدراسات التجريبية والرقمية على عينات مركبات البوليمر المقوى بالألياف في قوى القص عند تطبيق الأحمال عليها. على عكس ذلك وعلى حد علم الباحث، فإن الدراسات المنشورة محدودة المتعلقة بمثل هذا السلوك تحت تأثير أحمال الإجهاد. ومن هنا جاء الهدف الرئيسي من هذه الدراسة وهو تطوير نموذج رقمي ثنائي الأبعاد، متعدد الجوانب والاستعمالات، جدير بالثقة، وقادر على التنبؤ بدقة إلى استجابة هذه المركبات الداعمة للمبنى من الخارج في قوى القص المتعلق بالعوارض وتتبع سلوكها وآثارها تحت تأثير أحمال الإجهاد. قد تم تنفيذ ذلك من خلال استخدام برنامج ‎"VecTor2" إلى جانب تطبيق النماذج التأسيسية والبنية المناسبة فيما يتعلق بالخرسانة، حديد التسليح، والمواد المكونة لمركبات البوليمر المقوى بالألياف. تم إجراء هذه الرسالة البحثية على مرحلتين رئيسيتين. في البداية، يتم تقييم دقة النموذج الرقمي عن طريق مقارنته بسلسلة من الاختبارات التجريبية المستخرجة من الأبحاث المتاحة التي أجريت على عينات غير مقواه. بعد ذلك، وبمجرد التاكد من نجاح النموذج العددي، يتم إجراء الاختبار على نفس العينات ولكن تحت تأثير أحمال الإجهاد في شكليه: الإجهاد الرتيب والإجهاد الدوري. نتيجةً للتعارض الكبير بين نتائج النموذج العددي والإختبارات التجريبية، لقد تم استخدام نموذج ضرر خارجي للخرسانة متواجد في الأبحاث وذلك بغرض تحسين نتائج الأحمال الخاصة بالإجهاد بنوعيه. من ناحية أخري، يتم حساب الزيادة الإضافية في الضرر من خلال اقتراح نموذج ضرر جديد للخرسانة فيما يتعلق بأحمال الإجهاد الدوري. حيث قد تم الحصول على نتائج أكثر دقة عند استخدام النموذج المقترح الخاص بالأحمال الدورية عند مقارنتها بنتائج البرامج التجريبية. من ثم في المرحلة الثانية، باستخدام النماذج التي تم التأكد من صحتها يتم إضافة صفائح وشرائط البوليمر المقوى بالألياف عن طريق ربطها خارجياً بالوجوه الجانبية للعينات ويتم ذلك بطريقتين وبالمثل يتم مقارنة هذه النتائج العددية مع نتائج الأبحاث التجريبية المنشورة. توضح المقارانات أن النموذج الرقمي يقدم توقعات دقيقة بشكل معقول لكل من عوارض الخرسانة المسلحة والعوارض المقابلة لها في القص بفضل مركبات البوليمر المقوى بالألياف كروابط خارجية عند تعرضها لأحمال الإجهاد. بالإضافة إلى ذلك، فهذه النماذج الرقمية تقدم معلومات هامة عن شكل الضغط والإجهاد، أنماط الشقوق، أشكال وأوضاع الانهيار لأعداد مختلفة من دورات التحميل.

Download
COinS