اسم الباحث : سيف علي حسن
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : هندسة البنى التحتية
سنة نشر البحث : 2020
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
هدف البحث هو دراسة السلوك الانشائي لأعتاب مجوفة مصنوعة من خرسانة ذاتية الرص تحتوي على فتحات موقعية مستعرضه غير مقواة او مقواة باستعمال شرائط اللدائن الكربونية المسلحة من خلال تنفيذ عمل مختبري ونظري بواسطة برنامج الاباكوس 2019.
اشتمل البرنامج العملي على صب أربعة عشر عتبا خرسانيا مجوفا باستخدام خرسانة مسلحة مرصوصة ذاتياً وقد تم اختبارها تحت حميلين مركزيين ومتماثلين مع خصائص انشائية متطابقة (الأبعاد، تسليح الانثناء مقاومة الانضغاط الخرسانية، وحجم الفتحة). تم تصنيف الاعتاب إلى ثلاث مجموعات بالإضافة إلى عتبين بدون فتحات كأعتاب مرجعية لغرض المقارنة. تضمنت المجموعة الأولى ستة أعتاب مع فتحة في الامام أو في الامام والخلف من الجذع في حين احتوت المجموعة الثانية على ثلاثة أعتاب ذات فتحات في الحافة السفلية للعتب. اما المجموعة الثالثة، فقد تضمنت ثلاثة أعتاب مع فتحة في الأمام والخلف من الجذع مقواة باستعمال شرائط اللدائن الكربونية المسلحة. اهم المتغيرات التي تمت دراستها هي عدد الفتحات ومواقعها.
بينت النتائج المختبرية للمجموعة الأولى من العينات أن استحداث فتحات في منطقة الثني أو منطقة القص أو كليهما تسبب في انخفاض في أحمال الفشل النهائية بنسب تراوحت ما بين (5.2%- 16%). علاوة على ذلك، لوحظ زيادة في انحراف العينات بنسب مختلفة تقع ما بين (20%-70%) بسبب الانخفاض في صلابة هذه العينات من (16%-41%) بالمقارنة مع العتب المجوف المرجعي. بينما تراوحت نسب الانخفاض في عينات المجموعة الثانية في أحمال الفشل النهائية من (%5.5 – 9 %). علاوة على ذلك، فإن جميع الأعتاب في المجموعة الثانية عانت من انحرافات عليا تراوحت ما بين (%28 -63%) بسبب الانخفاض في صلابة هذه الأعتاب من (22% -39%) بالمقارنة مع العتب المجوف المرجعي. في المقابل، تراوحت نسب الانخفاض في أحمال الفشل النهائية للعينات في المجموعة الثالثة من (1.9%-8.4%) ، بينما كانت الزيادة في مقدار الانحراف من (22- 43%) بسبب الانخفاض في جساءة هذه الاعتاب من (%18 -%23) إذا ما قورنت بالعتب المجوف المرجعي . بالإضافة الى ذلك حسنت التقوية باستخدام شرائط اللدائن الكربونية المسلحة من صلادة الانحناء والالتواء للعتب بعد التشقق وكذلك أخرت ظهور التشققات أذا ما قورنت بالأعتاب غير المقواة في المجموعة الاولى. فيما يتعلق بالمجموعة الأولى من الأعتاب» تراوحت قيم مؤشرات المطيلية من (2.8-1.5) إذا ما قورنت بالعتب المرجعي في حين تراوحت قيم المجموعة الثانية من (2.5-2.16) إذا ما قورنت بالعتب المرجعي. من ناحية أخرى تم تسجيل قيم عالية لمؤشرات المطيلية للمجموعة الثالثة من الأعتاب وتراوحت القيم ما بين (3.17-2.35) مقارنة مع الحزم غير المقواة في المجموعة الأولى.
تم أجراء تحليل غير خطي باستخدام تحليل العناصر المحدودة باستخدام برنامج الاباكوس لأجراء التحقق لتعرض الأعتاب الخرسانية المجوفة ذاتية الرص بوجود او عدم وجود فتحات موقعية غير مقواة او مقواة باستعمال شرائط اللدائن الكربونية المسلحة. كما تم أجراء دراسة نظرية جديدة ذات متغيرات مختلفة. تم افتراض أن هناك ترابط تام بين الكونكريت وحديد التسليح وأيضا بين سطح الخرسانة وشرائط اللدائن الكربونية المسلحة. بينت النتائج ان هناك تقارب جيد بين النتائج العملية والنظرية من حيث الحمل النهائي؛ الانحراف الاقصى ومنحنيات انحراف الحمل؛ ونمط الفشل. كان معدل الاختلاف في الحمل النهائي والانحراف الأقصى مساويا ل %1.8 و %9.2 على التوالي وهذا يمكن ان يضمن صحة النتائج العددية. كشفت نتائج تحليل العناصر المحدودة للأعتاب ايضا أن أحمال الفشل النهائية للأعتاب المجوفة ذات الفتحات انخفضت مع زيادة قطر الفتحة من %4.1 إلى %18.2 للفتحة الموجودة في وسط العتب ومن %2.3 إلى 26.8% للفتحات الموجودة بالقرب من المساند إذا ما قورنت مع العتب المرجعي. بالإضافة الى ذلك فقد بينت النتائج التحليلية ان الزيادة في عدد الفتحات ذات القطر نفسه قد ادت إلى انخفاض في أحمال الفشل النهائية من %9.8 إلى %35.8 إذا ما قورنت مع العتب المرجعي. علاوة على ذلك؛ ازداد الحمل النهائي للعتب المجوف الحاوي على فتحات قريبة من المساند ذات قطر متماثل عند زيادة مقاومة الانضغاط للخرسانة. كان مخطط تقوية الحافة السفلية بواسطة شرائط اللدائن الكربونية المسلحة هو الأفضل من حيث التحمل الاقصى للأعتاب المجوفة الحاوية على فتحات قريبة على المساند أو في وسط العتب حيث كانت الزيادات في القوة النهائية من (29.2-37.4 %) لكلا العتبين على التوالي، إذا ما قورنت بالأعتاب غير المقواة.
Structural Behaviour of Self-Compacted Concrete Box Girders with In-Place Openings
This research aims to investigate the structural behaviour of a reinforced self-compacted concrete hollow beam with in-place openings that are non-strengthened or externally strengthened by CFRP strips. The aim is achieved by implementing experimental and numerical work by ABAQUS 2019.
The experimental program comprised casting fourteen reinforced self-compacting concrete hollow beams, which are tested under two concentrated and symmetrical loading. The beams have identical properties (i.e. dimensions, flexural reinforcement, concrete compressive strength, and opening size). The specimens are categorized into three groups, in addition, to two additional beams without openings as control beams. The first group includes six beams with an opening in the front or the front and rear of the web, while the second group contains three beams with openings in the bottom flange of the beam. Besides, the third group comprises three beams with an opening in the front and rear of the web and strengthened with CFRP laminates. The studied parameters were the number and locations of openings.
The experimental results for the first group of specimens revealed that creating openings in the flexure or shear zone or both can cause reductions in the ultimate failure loads by about (5% to 16 %). Furthermore, increase in the deflections of the specimens were observed by about (20% to 70%) owing to the reductions in their stiffness from (16% to 41%) when compared with the hollow control beam. The second group specimens, on the other hand, suffered from reductions’ ratios in the ultimate failure loads within the ranged (5% to 9 %). Furthermore, all beams in the second group suffered from higher deflections ranged from (28% to 63 %) owing to the reductions in the stiffness of these beams from (22% to 39%) if compared to control beam. In contrast, the reductions’ ratios in the ultimate failure loads for the third group of beams were nearly (2% to 8 %), while the increases in the deflections ratios were (22% to 43 %) due to the reductions in the beams’ stiffness from (18% to 23%) if compared with the control beam.
Moreover, the strengthening by CFRP laminates enhanced the post-cracking behavior of specimens and delayed the appearing of the cracks compared with the unstrengthened beams in the first group. Regarding the first group of beams, the values of the ductility indices ranged from (1.5 to 2.8) if compared with the control beam, while the values for the second group were ranged from (2.2 to 2.5) if compared with the control beam. On the other hand, higher values for the ductility indices were recorded for the third group of beams (2.4 to 3.2) compared with the unstrengthened beams in the first group.
Non-linear finite element analysis was performed using ABAQUS (2019) to conduct a numerical investigation for the reinforced self-compacting concrete hollow beams with or without openings and strengthened or unstrengthened by CFRP laminates. New parametric study of various variables was also numerically examined. Full bond was assumed between the concrete and steel reinforcement and between the concrete surface and CFRP. There was a good convergence between the experimental and numerical results in terms of the ultimate load, maximum deflection, load-deflection curves, and mode of failure. The average difference in the ultimate load and the maximum deflection found to be equalled to 1.8 and 9.2 %, respectively that ensure the veracity of numerical results.
Furthermore, numerical results obtained from the analyzed beams revealed that the ultimate failure loads for hollow beams with openings decreased with the increase in the opening’s diameter from nearly 4 to 18.2 % for opening located at the middle web and from about 2 to 27 % for openings located near the supports in comparison with the control beam. The increase in the number of opening with the same diameter caused a decrease in the ultimate failure loads by 10 to 36 % if compared with the control beam. Furthermore, the ultimate hollow beam load with an opening (s) of identical diameter near the supports increased with the increase in the compressive strength of concrete. The bottom flange-strengthening scheme by CFRP was the best in terms of the ultimate strength viewpoint for hollow beams with a near supports’ openings or mid-span’s openings, in which the increases were 29 and 37 % for both beams respectively if compared with the unstrengthened beams.