Date of Award

11-2016

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Tamer El Maaddawy

Second Advisor

Dr. Bilal El-Ariss

Third Advisor

NemkumarBanthia

Abstract

Continuous steel-reinforced concrete structures are vulnerable to corrosion

Damage when exposed to harsh environment. Although replacing conventional steel entirely with basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) bars can eliminate corrosion problems, the lower modulus of elasticity of BFRP would reduce serviceability of the structure. The use of hybrid steel-BFRP bars rather than BFRP bars only has a potential to improve the serviceability of continuous concrete

Structures without reducing the deformation capacity. Through experimental testing and numerical simulation, this work aims to examine the structural behavior of two-span concrete specimens internally reinforced with BFRP or hybrid steel-BFRP bars.

A total of 12 two-span specimens were constructed and tested. Six specimens

were over-reinforced and six specimens were under-reinforced. The specimens had different hogging-to-sagging reinforcement ratios. Twelve three-dimensional (3D) finite element (FE) models representing all of the tested specimens were developed using the software package ATENA®. Bond stress-slip models were adopted at the interface between the longitudinal reinforcing bars and the

surrounding concrete. The accuracy and validity of the computational models were examined by comparing their predictions with the experimental results.

Increasing the hogging-to-sagging reinforcement ratio in the BFRP specimens

increased the ultimate load but had an almost no effect on the cracking load. The response of the BFRP under-reinforced specimens was more sensitive to the hogging- to-sagging reinforcement ratio than that of the BFRP over-reinforced specimens. The specimens reinforced with hybrid steel-BFRP bars exhibited less deflections and smaller crack widths at service load than those of their counterparts with BFRP bars only. The use of hybrid steel-BFRP reinforcement rather than BFRP bars only had an almost no effect on the deflection at ultimate load. The behavior of the specimens with BFRP bars only deviated from the elastic response. The deviation increased by decreasing the hogging-to-sagging reinforcement ratio. Specimens with hybrid steel- BFRP bars exhibited less

Deviation from the elastic response comparted with that of their counterparts with BFRP bars only. The FE models developed in the present study simulated the structural behavior of the tested specimens with a good accuracy. The Predicted ultimate loads and corresponding deflections were within a 20% error

Arabic Abstract

إن العناصر الخرسانية المتصلة المسلحة بقضبان حديد الصلب عادة ما تكون عرضة لضرر تآكل قضبان التسليح بسبب الظروف البيئية القاسية. إن استبدال قضبان الحديد بقضبان ألياف البازلت المقواة (basalt fiber-reinforced polymer bars) لها مقدرة عالية للتغلب على مشاكل صدأ الحديد، إلا أن معامل المرونة المنخفض لقضبان ألياف البازلت المقواة يحد من خدمية المنشأ. إن استخدام التسليح الهجين المكون من قضبان حديد الصلب وقضبان ألياف البازلت المقواة يحسن من خدمية المنشآت الخرسانية المتصلة دون التأثير على مقاومة المنشأ للتشوه. شملت الدراسة تجارب عملية ومحاكاة عددية لدراسة السلوك الإنشائي لعينات خرسانية متصلة مسلحة بقضبان ألياف البازلت المقواة أو التسليح الهجين.

 تضمن البحث اختبار ست عينات مرتفعة التسليح وست عينات منخفضة التسليح، بالإضافة إلى محاكاة عددية باستخدام برنامج أتينا (ATENA®) المبني على دراسة العناصر المحدودة (Finite Elements). كما شملت المحاكاة العددية توظيف نماذج تحدد استجابة التسليح الطولي للانزلاق من الخرسانة المحيطة. تم التأكد من مدى صحة ودقة المحاكاة النظرية من خلال مقارنة نتائج التجارب العملية مع الدراسة العددية.

أدى زيادة نسبة بين التسليح في أماكن عزم الانحناء السالب إلى الموجب في العينات المسلحة بقضبان ألياف البازلت المقواة إلى ارتفاع في قوة التحمل القصوى بدون تغير يُذكر في القوة المؤدية لظهور الشقوق في العينة. إن استجابة العينات المسلحة فقط بقضبان ألياف البازلت المقواة تسليحاً منخفضاً كانت أكثر حساسية للتغير في نسبة بين التسليح بين أماكن عزم الانحناء السالب إلى الموجب أكثر منها في العينات ذات التسليح المرتفع.

أدى استخدام التسليح الهجين في العينات إلى التقليل من الهبوط وعرض الشقوق الموافق للحمولة الخدمية (Service Load) مقارنة بالعينات المسلحة بقضبان ألياف البازلت المقواة فقط. لم ينتج عن استخدام التسليح الهجين أثر ملحوظ على قيمة الهبوط الموافق لقوى التحمل القصوى في العينات المسلحة تسليحاً هجيناً مقارنة بنظيرتها المسلحة بقضبان ألياف البازلت المقواة فقط. أبدت العينات المسلحة بقضبان ألياف البازلت المقواة انحرافاً أعلى عن الاستجابة المرنة (Elastic Response) للعزوم مقارنة بالعينات المقابلة المسلحة تسليحاً هجيناً. أدت الزيادة في نسبة بين التسليح في أماكن عزم الانحناء السالب إلى الموجب لانخفاض الانحراف عن الاستجابة المرنة للعزوم.

استطاعت النماذج النظرية التي طرحت في دراسة المحاكاة العددية أن تتنبأ بالاستجابة الإنشائية للعينات بدقة جيدة، وكان الخطأ في التنبؤ بقوى التحمل القصوى والهبوط الموافق لها بما لا يزيد عن 20% مقارنة بنتائج التجارب العملية.

Arabic Comments

كلمات البحث: ألياف البازلت المقواة، تجارب عملية، تسليح هجين، خرسانة، محاكاة عددية، متصلة.

Download
COinS