EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATIONS OF CONTINUOUS COMPOSITE GIRDERS REINFORCED WITH CFRP. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF (Ph.D Dissertation)
Dissertation.pdf - Submitted Version Download (7MB) | Preview |
Abstract
Continuous composite steel-concrete girders composed of cast-in-place concrete slab and steel girders are widely used in bridges and buildings. In design, the concrete slab at the negative moment region is ignored for composite action because of tensile stress, and the steel girder is assumed to either act alone or compositely with the longitudinal slab reinforcement. The inactiveness of slab in composite action at negative moment regions diminishes the full composite action of the girders, resulting in its reduced strength and stiffness. This research presents experimental and numerical investigations on the use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) to maintain the composite action at the negative moment region of continuous composite girders. This is achieved by bonding CFRP sheets to the top of concrete slab at the negative moment region. A total of six two-span continuous composite girders were tested. The girders were designed to have full composite action between the concrete slab and steel girder. The experimental results confirmed effectiveness of CFRP sheets to maintain the composite action at negative moment region under service load. The use of CFRP also improved strength and stiffness of the continuous composite girders. Three-dimensional Finite Element (FE) model of continuous composite girder was developed using commercial software ABAQUS and validated with the experimental results. The developed model was used to investigate the proper thickness and length of CFRP sheets to achieve the full plastic capacity of composite girders and avoid premature failure of CFRP and epoxy adhesive. The model results were used to obtain the required number of shear connectors to develop full composite action between steel beam and concrete slab at negative moment zone. Experimental and numerical results were used to develop simplified design approach to compute the required thickness of CFRP sheets to strengthen continuous composite girder.
Arabic Abstract
تستخدم الكمرات المستمرة المركبة من العقدات الخرسانية ومقطع فولاذي في أنظمة البناء والجسور بشكل شائع. يتضمن تصميم الكمرات المستمرة إهمال العقدة الخرسانية في منطقة عزم الدوران السالب بسبب أحمال الشد، بينما يعتبر المقطع الفولاذي مؤثراً بشكل منفصل أو بشكل مركب مع حديد التسليح الطولي. إن عدم فعالية العقدة الخرسانية في منطقة عزم الدوران السالب يتسبب في إنهاء التأثير المركب للكمرة مما يتسبب في تقليل من قدرة تحمل الكمرة وجساءتها. يقدم هذا البحث دراسة تجريبية وعددية لإستخدام صفائح البوليمر المدعم بألياف الكربون من أجل الحفاظ على التأثير المركب في منطقة عزم الدوران السالب في الكمرات المركبة المستمرة. تم تحقيق هذه الدراسة من خلال إلصاق صفائح البوليمر المدعم بألياف الكربون على السطح العلوي للعقدة الخرسانية في منطقة عزم الدوران السالب. تم إجراء البرنامج التجريبي على ما مجموعه ستة كمرات مركبة والتي تم تصميمها حتى تمتلك تأثيراً مركباً تاماً بين المقطع الفولاذي والعقدة الخرسانية. أكدت النتائج التجريبية فعالية استخدام صفائح البوليمر المدعم بألياف الكربون للحفاظ على التأثير المركب في منطقة عزم الدوران السالب تحت تأثير الأحمال الخدماتية، كما ساهمت صفائح البوليمر المدعم بألياف الكربون في تحسين قدرة تحمل الكمرات المستمرة المركبة بالإضافة إلى تحسين جساءتها. تم تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد باستخدام برنامج العناصر المحددة (ABAQUS) لتمثيل الكمرات المستمرة والمدعمة بصفائح البوليمر المدعم بألياف الكربون، كما تم التحقق من نتائج هذا النموذج باستخدام النتائج التجريبية. تم استخدام هذا النموذج من أجل إيجاد السماكة الأفضل ومقدار الطول المناسب للكمرات المركبة وتمكين الكمرات أن تصل للقوة القصوى ومنع أي فشل مفاجئ في ألياف البوليمر المدعم بصفائح الكربون أو فيالمادة اللاصقة. كما تم استخدام النتائج النهائية للنموذج لحساب عدد الوصلات الميكانيكية اللازمة لتحقيق التأثير المركب التام والمناسبة لقوى الشد داخل صفائح البوليمر المدعم بألياف الكربون.بالإضافة إلى ذلك، فقد تم استخدام نتائج البرنامج التجريبي والنمذجة للحصول على معادلات مبسّطة لحساب السماكة المطلوبة من صفائح البوليمر المدعم بأليف الكربون.
English Abstract
Continuous composite steel-concrete girders composed of cast-in-place concrete slab and steel girders are widely used in bridges and buildings. In design, the concrete slab at the negative moment region is ignored for composite action because of tensile stress, and the steel girder is assumed to either act alone or compositely with the longitudinal slab reinforcement. The inactiveness of slab in composite action at negative moment regions diminishes the full composite action of the girders, resulting in its reduced strength and stiffness. This research presents experimental and numerical investigations on the use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) to maintain the composite action at the negative moment region of continuous composite girders. This is achieved by bonding CFRP sheets to the top of concrete slab at the negative moment region. A total of six two-span continuous composite girders were tested. The girders were designed to have full composite action between the concrete slab and steel girder. The experimental results confirmed effectiveness of CFRP sheets to maintain the composite action at negative moment region under service load. The use of CFRP also improved strength and stiffness of the continuous composite girders. Three-dimensional Finite Element (FE) model of continuous composite girder was developed using commercial software ABAQUS and validated with the experimental results. The developed model was used to investigate the proper thickness and length of CFRP sheets to achieve the full plastic capacity of composite girders and avoid premature failure of CFRP and epoxy adhesive. The model results were used to obtain the required number of shear connectors to develop full composite action between steel beam and concrete slab at negative moment zone. Experimental and numerical results were used to develop simplified design approach to compute the required thickness of CFRP sheets to strengthen continuous composite girder.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Subjects: | Civil Engineering > Structural Engineering |
| Department: | College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering |
| Committee Advisor: | Sharif, Alfarabi |
| Committee Members: | Azad, Abul Kalam and Al-Gahtani, Husain and Arif,, Abul Fazal |
| Depositing User: | Mohammad Samaaneh (g201002460) |
| Date Deposited: | 11 Jun 2015 08:36 |
| Last Modified: | 01 Nov 2019 15:47 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139644 |