Date of Award

10-2016

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr.Amr M.I. Sweedan

Abstract

Fiber reinforced polymers (FRP) are extensively used in several engineering fields due to their superior properties. In structural engineering applications, fiber polymers have been recently used for retrofitting and strengthening of existing structures. A common technique for strengthening steel structures involves bonding FRP composites to targeted steel elements. However, bonding practices and researches revealed undesirable brittle failure of the adhesive at the FRP-steel interface. A recent research program conducted at UAE University validated the effectiveness of using mechanically fastened hybrid FRP (HFRP) laminates in strengthening steel beams. Outcomes of the research program revealed that the fastening technique could provide a good alternative to overcome the unfavorable brittle failure of bonded FRP composites. In addition, the study was enlightening and showed promising results in terms of both yield and ultimate load capacities of the strengthened steel beams. However, a limited range of fastening parameters was examined in the above mentioned research program.

The current research study is motivated by the need to investigate the influence of wider range of fastening parameters and geometrical configurations on the interfacial behavior of fastened HFRP-steel connections. An extensive experimental program was carried out on 62 fastened connections on two phases. In the first phase, the effect of different number of washers-per-bolt, clamping torque, bolt-hole diameter and bolt spacing were investigated on connections formed using steel bolts. While the second phase was conducted using FRP anchors to examine the effect of fastener type and diameter along with the sheared edge distance on the performance of the connections. Test results recommended to snug-tight the steel bolts after placing them in standard hole-diameters with the use of 2 washers-per-bolt. Bolt spacing was proven to have insignificant effect on both failure modes and load carrying capacity of the HFRP-steel connections. The study also suggested the use of FRP anchors with 13 mm diameter with a sheared edge distance that is three times the hole-diameter for optimal performance in terms of ductility and load carrying capacity. Recorded experimental measurements were utilized to develop nonlinear load-slip models which were integrated in developing nonlinear 3D finite element (FE) models using ANSYS software. FE models were used to simulate the behavior of the fastened connections and to accurately predict their load carrying capacity. Numerical predictions were in excellent agreement with the experimental findings which verified the accuracy of the proposed nonlinear load-slip models.

Arabic Abstract

تستخدم الألياف الهجينة (FRP) على نطاق واسع في العديد من المجالات الهندسية وذلك بسبب خصائصها المتفوقة. مؤخراً تم استخدام الألياف الهجينة في التطبيقات الهندسية الإنشائية لإعادة ترميم وتقوية المنشآت القائمة. وتتضمن الوسيلة السائدة لتقوية المنشآت الفولاذية لصق الألياف الهجينة بالهياكل الفولاذية المستهدفة. وقد كشفت البحوث التي أجريت على الألياف الهجينة الملصقة بهياكل الفولاذ عن انهيار سريع غير مرغوب فيه للمادة اللاصقة. وقد أثبت برنامج بحثي أُجري حديثاً في جامعة الإمارات العربية المتحدة فعالية استخدام الألياف الهجينة المثبتة ميكانيكياً على الفولاذ من أجل تعزيز الدعامات الفولاذية. وكشفت الدراسة أن تقنية الربط يمكن أن توفر بديلاً جيداً للتغلب على الانهيار السريع غير المرغوب فيه للمادة اللاصقة في وصلات الألياف الملصقة بالفولاذ. بالإضافة إلى ذلك، فقد أظهرت الدراسة نتائج واعدة من حيث قدرة تحمل الدعامات الفولاذية المدعمة باستخدام تقنية الربط، ولكن مع الأخذ في الاعتبار محدودية عوامل الربط التي تمت دراستها في البرنامج البحثي السابق ذكره.

الدافع الرئيسي وراء إجراء الدراسة الحالية هو الحاجة إلى دراسة تأثير مجموعة واسعة من عوامل الربط والتشكيلات الهندسية على السلوك البنيوي للوصلات التركيبية من الألياف الهجينة المثبتة بالفولاذ. تم تنفيذ الدراسة على مرحلتين. في المرحلة الأولى، تم دراسة تأثير عدد مختلف من ورد التثبيت، وقطر فتحة المسمار، والتباعد بين المسامير باستخدام مسامير من الفولاذ. في حين أُجريت المرحلة الثانية باستخدام مسامير من الألياف لدراسة تأثير نوع المسمار وقطره بالإضافة إلى تأثير مسافة القص من الحرف على أداء الوصلات التركيبية المثبتة.

أوصت نتائج الاختبار باستخدام مسامير الفولاذ بعد وضعها في فتحة قياسية القطر مع استخدام وردتين تثبيت لكل مسمار. وقد ثبت أن تباعد المسامير له أثر ضئيل على كل من طرق الانهيار وقدرة تحمل الوصلات التركيبية الهجينة. واقترحت الدراسة أيضاً استخدام مسامير من الألياف بقطر 13 مم مع مسافة قص من الحرف تساوي ثلاثة أضعاف قطر فتحة المسمار لتحسين أداء الوصلات التركيبية من حيث الليونة وطاقة التحمل الاستيعابية.

واستخدمت القياسات العملية لتطوير نماذج غير خطية للتحميل والانزلاق والتي تم استخدامها لبرمجة نماذج محاكاة ثلاثية الأبعاد باستخدام برنامج ANSYS. استخدمت نماذج العناصر المحددة (FE) لمحاكاة سلوك الوصلات التركيبية المثبتة والتنبؤ بدقة بطاقتها الاستيعابية. أظهرت نتائج المحاكاة توافقاً ممتازاً مع النتائج العملية مما أكد دقة نماذج التحميل والانزلاق المطورة في هذا البحث.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: ألياف هجينة مقواة (HFRP)، وصلات مثبتة، وصلات الألياف والفولاذ، ورد التثبيت، قطر فتحة المسمار، مسامير من الألياف، طريقة العناصر المحددة.

Download

Included in

Engineering Commons

Share

COinS