Date of Award

1-2013

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Khaled Mahmoud El-Sawy

Second Advisor

Dr. Amr Mahmoud Sweedan

Abstract

Retrofitting and strengthening of steel structures have gained significant importance due to the highly increasing number of deteriorated steel structures in many places around the globe. The conventional method of retrofitting or strengthening of steel structures by replacing steel members or attaching additional external steel plates are usually time-consuming, corrodible, and a cumbersome task. Many of the drawbacks of the conventional retrofitting systems can be overcome through the use of Fiber Reinforced Polymers (FRP) due to their high strength-to-weight ratio. Furthermore, FRP materials are corrosion resistant, which makes them more durable especially when environmental deterioration is a concern. In recent years, the application of FRP in the strengthening of existing structures has increased considerably. A significant amount of research studies have been conducted to explore the effectiveness of implementing externally bonded FRP to strengthen reinforced concrete (RC) structures. Following the successful introduction of FRP in the strengthening of RC beams and columns, researchers started to explore the concept of using the FRP in the strengthening of steel elements. Although this idea was initially rejected by many researchers because of the significantly low elastic modulus of the FRP relative to steel, the idea started to float to the surface again when high-modulus FRP were successfully produced. The elastic modulus of such FRP approaches and even, in some cases, exceeds the elastic modulus of steel. Similar to the case of RC, researchers initially focused on the application of externally bonded FRP (EB-FRP) for flexural strengthening of steel beams. The research outcomes revealed that steel beams strengthened with EB-FRP strips exhibit unfavorable brittle failure mechanism due to debonding of the FRP. More recently, research work on application of mechanically fastened FRP (MF-FRP) to RC elements has shown promising results in term of installation efficiency, level of strengthening achieved, and, more importantly, preventing FRP delamination prior to concrete crushing. As such, a high potential exists for achieving a successful and efficient strengthening scheme when utilizing the MF-FRP laminates to strengthen steel beams. A unique study on the application of MF-FRP to steel beams was conducted by Alhadid (2011). The study revealed that MF-FRP leads to ductile response of the strengthened system provided that adequate number and strength of anchoring fasteners are used. Insufficient FRP length-to-span ratio or insufficient number of steel fasteners will result in unfavorable brittle mode of failure by shear rupture of the fasteners or tensile rupture in the FRP laminate.

The driving force behind the current research study stems from the need to gain a better understanding of the mechanical behavior of the steel beams strengthened with MF-FRP laminates. The research is conducted numerically and analytically. Three-dimensional (3D) finite element (FE) analysis using the general purpose software package ANSYS is conducted in the numerical phase of the study. The 3D FE model developed in this study accounts for the effect of both material and geometrical nonlinearities in addition to the interfacial slip between the FRP laminates and the steel beam. The FE model is validated against the experimental results reported by Alhadid (2011), and excellent agreement is found. The validated FE model is then used to study the behavior of the composite steel-FRP beam parameters including the force distribution in anchoring steel fasteners, the stress distribution and spread of yielding in the steel section and the corresponding stress distribution in the FRP laminates. Furthermore, the FE model is utilized to investigate the effect of different parameters on the mechanical behavior of the strengthened beams namely: the steel section height; length, thickness and stiffness of FRP laminates; and distribution and configuration of the steel fasteners. For the analytical analysis, a closed-form analytical model is derived to predict the elastic behavior of the steel-FRP composite beams taking into consideration the slip at the steel-FRP interface. The analytical model is then utilized to evaluate the deflection, the first yielding load of the steel-FRP system and the distribution of shear forces induced in the steel fasteners.

The current study concludes that the contribution of the FRP in reducing mid-span deflection and load-carrying capacity in the elastic stage (i.e., when all materials are still elastic) increases if the elastic modulus of FRP is close to or higher than the steel section. As the length of the FRP increases, the index of elastic composite action increases indicating higher efficiency of the FRP laminate, especially at low fastener stiffness. After yielding in the extreme fibers of the bottom steel flange, the FRP laminates contributes significantly in carrying the mid-span loads because the FRP laminate remain elastic and contributes significantly in carrying the tensile stresses.

The study also shows that the steel beam with deeper cross-section and strengthened with MF-FRP at the bottom flange exhibits higher improvement in its flexural capacity relative to the beam with shallow section with almost the same stiffness. This is because the shear forces carried by the steel fasteners cause a bending moment in the steel beam that is proportional to the section height, and counteracts the bending moment due to the applied mid-span load.

Increasing the thickness of the FRP laminate significantly improves the load-carrying capacity of composite steel-FRP beams. Provided that a sufficient number of fasteners is provided to avoid shear failure at the interface, increasing the number of steel fasteners, or reducing the pitch distance does not increase the load-carrying capacity significantly. However, it will ensure a ductile failure mode of the composite steel-FRP beams.

The analytical solution used in the current study provides a convenient, but accurate, tool that can be used to calculate the deflection of the composite beam while considering interfacial slip. The solution can also be used to estimate the load that initiates yielding in the steel component of the composite beam and finding the distribution of the shear forces induced in the steel fasteners.

Arabic Abstract

ملخص الرسالة

لاقت عملية تقوية المنشآت الفولاذية اهتماماً كبيراً خلال العقدين الماضيين وذلك بسبب الأعداد المتزايدة للمنشآت المتهالكة في مناطق مختلفة حول العالم؛ حيث أن الطرق التقليدية لإعادة تأهيل أو تقوية المنشآت الفولاذية – والمتمثلة باستبدال المكونات الفولاذية الإنشائية أو بتركيب مكونات جديدة فوق المكونات المتهالكة – تحتاج إلى وقت طويل وقابلة للصدأ بالإضافة إلى صعوبة تركيبها. الكثير من المشاكل المرتبطة بالطرق التقليدية للتقوية يمكن تجنبها باستخدام شرائح الألياف البلاستيكية، وذلك بفضل ما تتميز به من قوة شد عالية نسبة إلى وزنها الخفيف ومقاومتها للصدأ، مما يجعلها أكثر استدامة خصوصاً إذا كانت الظروف الجوية عاملاً أساسياً في اختيار الطريقة المناسبة لتقوية أو إعادة إصلاح المنشآت الفولاذية.

تناولت الكثير من الدراسات البحثية فعالية تقوية عوارض الخرسانة المسلحة بشرائح الألياف البلاستيكية الملصقة على السطح الخارجية، وبعد النجاح الذي حققته هذه الطريقة مع العوارض الخرسانية المسلحة انتقل الباحثون لاستخدامها مع العوارض الفولاذية، على الرغم من أن هذه الفكرة عورضت في البداية من بعض الباحثين بسبب تدني معامل المرونة لمثل هذه الشرائح مقارنة بالفولاذ، لكن هذه الفكرة بدأت تطفو على السطح من جديد مع إنتاج شرائح بلاستيكية مسلحة ذات معامل مرونة عال يفوق في بعض الأنواع معامل المرونة الخاص بالفولاذ. حيث استخدم الباحثون في البداية الشرائح البلاستيكية المسلحة عن طريق إلصاقها بالسطح الخارجي للعوارض الفولاذية بنفس الطريقة التي كانوا يتبعونها مع عوارض الخرسانة المسلحة لتقوية الأداء الانحنائي لهذه العوارض. توصل الباحثون إلى أن العوارض الفولاذية - المقواة بالشرائح البلاستيكية المسلحة لدراسة أداء مكونات العوارض الفولاذية المركبة (المقواة بالشرائح البلاستيكية المسلحة والمثبتة ميكانيكياً)، وقد شملت هذا دراسة توزيع القوى في المسامير الفولاذية وتوزيع الضغط وانتشار الخضوع في الفولاذ وقيم الشد في الشرائح البلاستيكية. بالإضافة إلى ذلك فإن نموذج العناصر المتناهية الصغر تم استخدامه في دراسة تأثير بعض من العوامل على الأداء الميكانيكي للعوارض الفولاذية المركبة. هذه العوامل تشمل ارتفاع العوارض الحديدية وطول وسماكة الشرائح البلاستيكية المسلحة وطريقة توزيع المسامير الفولاذية المثبتة لهذه الشرائح. أما بالنسبة للحل الرياضي فقد تم تطويره من أجل التنبؤ بالأداء المرن للعوارض الفولاذية المركبة مع الأخذ بعين الاعتبار تأثير الانزلاق على السطح الفاصل بين الفولاذ وبين الشرائح البلاستيكية المسلحة، وقد تم استخدام الحل الرياضي لاحقاً في حساب مقدار الانحناء وحساب الحمل المسبب للخضوع في الفولاذ بالإضافة إلى حساب الأحمال الموزعة على المسامير الفولاذية المثبتة للشرائح البلاستيكية المسلحة.

هذه الدراسة كشفت أن مقدار مساهمة الشرائح البلاستيكية المسلحة في تقليل الانحناء في العوارض الفولاذية تزداد بزيادة معامل المرونة لهذه الشرائح ليعادل أو يفوق معامل المرونة للفولاذ. كما كلما زاد طول الشرائح البلاستيكية المسلحة فإن معيار الأداء المركب يزداد مما يعني ازدياد فعالية هذه الشرائح في تقوية العوارض الفولاذية. بعد الخضوع (في السطح الخارجي للفولاذ والمتصل بالشرائح البلاستيكية المسلحة عن طريق المسامير) تصبح مساهمة الشرائح البلاستيكية المسلحة في تقوية العارضة الفولاذية أكثر فعالية لأن الشرائح تكون ما زالت مرنة وقادرة على حمل المزيد من قوة الشد.

الدراسة أيضاً تشير إلى أن الشرائح البلاستيكية المسلحة تكون أكثر فعالية إذا ما استخدمت مع العوارض الفولاذية الأكثر ارتفاعاً مقارنة بالعوارض الأقل ارتفاعاً وبنفس قيمة الصلابة. هذا عن طريق إلصاقها بالسطح الخارجي – تميل إلى الانهيار القصفي بفعل انفكاك الشرائح البلاستيكية المسلحة عن القواطع الفولاذية.

مؤخراً كشفت الأبحاث أن ربط الشرائح البلاستيكية المسلحة ميكانيكياً بالعوارض الخرسانية المسلحة (عن طريق المسامير) أعطى نتائج مبشرة على صعيد فعالية التركيب ومقدار الزيادة في قوة التحمل وبشكل أهم منع انفكاك الشرائح البلاستيكية قبل تهشم الخرسانة. هذه النتائج فتحت الباب أمام إمكانية استخدام الشرائح البلاستيكية المسلحة المثبتة ميكانيكياً لتقوية العوارض الفولاذية.

دراسة تجريبية واحدة فقط تناولت تقوية العوارض الفولاذية باستخدام الشرائح البلاستيكية المسلحة المثبتة ميكانيكياً قام بها الحديد (2011). الدراسة كشفت أن العوارض الفولاذية المقواة بهذه الطريقة تميل للانهيار المرن إذا ما تم استخدام عدد كاف من المسامير. استخدام أطوال غير كافية من الشرائح البلاستيكية المسلحة نسبة إلى طول العوارض الفولاذية أو استخدام عدد غير كاف من المسامير قد يؤدي إلى انهيار قصفي للعوارض الفولاذية المقواة عن طريق قص المسامير أو قطع شدّي في الشرائح البلاستيكية المسلحة.

الدافع لهذه الدراسة البحثية نابع من الحاجة لفهم الأداء الميكانيكي للعوارض الفولاذية المقواة بالشرائح البلاستيكية المسلحة والمثبتة ميكانيكياً. في هذه الدراسة تم استخدام كل من طريقة العناصر المتناهية الصغر ثلاثية الأبعاد بالإضافة إلى التحليل الرياضي. النموذج ثلاثي الأبعاد للعناصر المتناهية الصغر الذي تم إنشاؤه في هذه الدراسة يأخذ بعين الاعتبار الأداء غير الخطي لمكونات العوارض الفولاذية بالإضافة للأداء غير الخطي لشكل هذه العوارض. تم التأكد من صحة أداء هذا النموذج من خلال مقارنته بدراسة تجريبية قام بها الحديد (2011)، حيث تم الحصول على توافق ممتاز بين نتائج الحالتين. طريقة العناصر المتناهية الصغر استخدمت في هذا البحث عائد إلى أن قوة القص المحمولة في المسامير الفولاذية تسبب عزماً دورانياً حول منتصف ارتفاع العارضة الفولاذية يتناسب طردياً مع ارتفاعها.

الدراسة أظهرت أيضاً أن زيادة سمك الشرائح البلاستيكية المسلحة يحسن بشكل كبير قوة تحمل العوارض الفولاذية المركبة بشرط استخدام عدد كاف من المسامير المثبتة وطول كاف من الشرائح البلاستيكية المسلحة لتجنب الانهيار بفعل القص في المسامير الفولاذية، كما أنه لوحظ أن زيادة عدد المسامير الفولاذية أو تقليل المسافة بينها لا يؤدي إلى تحسن ملحوظ في أداء العوارض الفولاذية لكنه يضمن انهياراً مرناً لها.

الحل الرياضي المستخدم في هذه الدراسة يوفر وسيلة جيدة يمكن استخدامها لحساب مقدار الانحناء في العوارض الفولاذية المركبة مع الأخذ بعين الاعتبار الانزلاق الحاصل بين الفولاذ والشرائح البلاستيكية المسلحة. هذا الحل أيضاً يساعد في التنبؤ بالحمل الذي يسبب الخضوع في الفولاذ ويساعد في حساب توزيع الأحمال في المسامير الفولاذية.

Arabic Comments

كلمات ذات صلة: العوارض الفولاذية، تقوية، إعادة تأهيل، الشرائح البلاستيكية المسلحة، الأداء الإنشائي، الانحناء، التحليل العددي، نموذج العناصر المتناهية الصغر، الحل الرياضي، العوارض المركبة، العوارض المركبة جزئياً، الانزلاق.

Download
COinS