Study on Shear Behavior of Ultra-High Performance Concrete (UHPC) Beams. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF SIFATULLAH_BAHIJ_(g201403600)_MS_THESIS_DEC_2016.pdf Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

المخلص: تم الاستفادة حديثا من استخدام مادة خرسانية جديدة تدعى "الخرسانة عالية الأداء" (UHPC) وذلك لصب كمرات مسلحة بحديد عادي المقاومة وحديد مسبق الإجهاد. تتكون الخرسانة عالية الأداء من مواد متناهية الصغر وألياف حديدية كما انها لا تحتوي على الحصى الخشن، وتتميز هذه الخرسانة بمقاومة عالية للضغط والشد والمتانة والصلابة بالاضافة الى المسامية المنخفضه. تعتبر دراسة السلوك الانشائي للكمرة المنشأه من الخرسانة عالية الأداء مع الأخذ بعين الإعتبار التأثيرات المجتمعة للعوامل الإنشائية الرئيسية ذات أهمية كبيرة لتصميم مثل هذه الكمرات والمصنوعة من الخرسانة عالية الأداء (UHPC) والمسلحة بحديد تسليح ذو مقاومة عالية. تم إجراء هذا العمل البحثي لدراسة تأثير العوامل الإنشائية الرئيسية على سلوك الكمرة الغير مسبقة الإجهاد والمسلحة بحديد ذو مقاومة عالية حسب المواصفات (ASTM A722/A722 M) تحت تأثيرقوى القص. تم دراسة العوامل التالية: نسبة طول الكمرة المعرضة لقوى القص الى العمق الفعال لها (a/d)، كمية المشغول من الألياف الحديديه (Vf)، نسبة حديد التسليح الطولي (ρ)، والمسافة بين الكانات (s). تم تحضير عشر كمرات من الخرسانة المسلحة عالية الأداء (UHPC) بأبعاد ذات مقطع عرضي 150 mm * 225 mm وطول 1.75 m وتم تحميلها بمعدل شبه ثابت (quasi – statically) والمعروف بالتحميل تحت أربع نقاط حتى الإنهيار. تم تسجيل كل البيانات المتعلقة بالسلوك تحت القص مثل (نمط الانهيار، قوة القص القصوى، واقصى ازاحة في منتصف طول التحميل، الإنفعالات في حديد التسليح والخرسانة،...إلخ) وذلك لغرض التحليل. تم إجراء نمذجة عددية ثلاثية الأبعاد لمحاكاة الكمرات باستعمال نموذج لدونة تشوه الخرسانة (CDP) و باستخدام خواص المواد التي تم الحصول عليها من اختبارات الضغط المحوري وكذلك اختبارات مقاومة الشد المعملية. تم إجراء المحاكاة لسلوك القص للكمرات المنشأة من الخرسانة عالية الأداء وذلك باستخدام برنامج ABAQUS اصدار 6.13 . بعد ذلك تم التحقق من دقة النموذج عن طريق مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها من النموذج والتجارب المعملية. بعد ذلك، تم إجراء دراسة حدودية (parametric study ) للمساعدة أكثر في فهم السلوك القصي للكمرة المنشأة من الخرسانة عالية الأداء من ناحية، ولتقييم مساهمة مستويات العوامل الأخرى والغير متضمنة في التجارب المعملية من ناحية أخرى. بالإضافة إلى ما تقدم، تم أيضا إجراء تحليل إحصائي لتحديد مستوى الأهمية للعوامل الأربعة الرئيسية المشار إليهما أعلاه. تم أخذ قوة القص للكمرة (Vu) كإستجابة للاختبار (test response). وبعد ذلك تم استخدام البيانات التي تم الحصول عليها معمليا في هذا العمل لمحاولة الحصول على معادلة بأفضل مستوى ثقة لحساب قوة القص للكمرة المنشأة من الخرسانة عالية الأداء وذلك باستخدام النسبة (a/d) و (Vf) المشار إليهما أعلاه وكذلك المسافة بين الكانات (s) بالإضافة إلى نسبة حديد التسليح الطولي (ρ). وضحت نتائج التجارب إلى أن كل من قوة القص والتشوه في منتصف الكمرة تزداد وذلك بزيادة كمية ألياف الحديد (Vf)، ونسبة التسليح الطولي (ρ) وبنقصان كلا من المسافة بين الكانات ونسبة (a/d). الجدير بالذكر، أن النمذجة العددية تتفق مع النتائج المعملية وبالتالي يمكن استعمالها في التحليل والتصميم. على الصعيد الآخر، أشار التحليل الإحصائي إلى أن كل من النسبة (a/d)، (Vf) والمسافة بين الكانات له تأثير كبير على قوة القص ونمط الإنهيار الخاص بالكمرة بينما كان تأثير (ρ) غير مهم. تم المقارنة بين النتائج المعملية لقوة القص Vu مع تلك المتحصل عليها من المعادلة المقترحة. أظهرت المقارنة اتفاق كبير بين القيم مما يشير إلى إمكانية إستعمال المعادلة المقترحة لتصميم الكمرات الخرسانية عالية الأداء ذات مقاومة ضغط تصل الى حوالي 150 MPa وبإستعمال الكانات لقوى القص بدرجة جيدة من الدقة.

English Abstract

Abstract: Recently, attempts are being made for utilizing a new concrete material, named ultra-high performance concrete (UHPC), in reinforced as well as in pre-stressed concrete beams. UHPC consisting of ultra-fine materials and steel fibers without coarse aggregate possesses very high compressive and tensile strengths, toughness, ductility, stiffness, and low permeability. The study of structural behavior of UHPC beams considering the simultaneous effects of key parameters is a great significance for optimum design of the beams prepared using UHPC and high-strength steel bars. This research work was conducted to investigate the effects of key structural parameters on the shear behavior of non-prestressed ultra-high performance concrete (UHPC) beams passively reinforced with high strength steel bars (ASTM A722/A722M). The parameters studied were shear span to effective depth, a/d ratio, volume fraction of steel fibers, Vf, longitudinal reinforcement ratio, ρ, and stirrups spacing, s. Ten reinforced UHPC beam specimens with cross sectional dimensions of 150 mm × 225 mm were prepared and quasi-statically loaded to failure on a simple span length of 1.75 m, under a four-point loading configuration. The data pertaining to shear behavior (such as modes of failure, ultimate shear strength, mid-span deflection, strains in steel bars and concrete, etc.) were recorded for analysis. Nonlinear 3-D finite element Modeling, using the concrete damage plasticity (CDP) model and material properties obtained from uniaxial compressive and tensile laboratory tests, was conducted to simulate UHPC beams using a commercial finite element software package ABAQUS 6.13. The developed model was validated with experimental results. Thereafter, a parametric study was conducted to further improve the understanding of shear behavior of UHPC beams and evaluate the contribution of the various levels of the variable parameters that were not included in the experimental program. In addition, statistical analysis was conducted to quantify the real level of significance of the four key factors. The test response was the shear capacity of the beams, Vu. Using the experimental data generated under the present work, an attempt was made to best-fit an equation to predict shear capacity of UHPC beams in terms of a/d ratio, Vf, stirrups spacing, and . The results of the experimental study indicated that shear capacity and mid-span deflection increased with the increase in volume fraction of steel fibers, Vf, percentage of longitudinal reinforcement, ρ, and with the decrease in stirrups spacing and a/d ratio. Overall, finite element model was in good correlation with experimental results; therefore, it can be used in design and analysis. Statistical analysis of experimental data indicated that a/d, Vf, and stirrups spacing have significant effect on the shear capacity and failure behavior of beams, while the effects of ρ is quite insignificant. The experimental values of Vu and the values of Vu predicted using proposed shear capacity equation are validated and good agreement between the results was obtained. This indicates that the proposed equation can be used for shear design with a fair degree of accuracy for UHPC with compressive strength of around 150 MPa and in presence of shear stirrups.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Ahmad, Shamsad
Committee Co-Advisor:	Al-Osta, Mohammed Ali
Committee Members:	Al-Dulaijan, Salah Uthman and Al-Gadhib, Ali Hussien and Rahman, Mohammad Kalim
Depositing User:	SIFATULLAH BAHIJ (g201403600)
Date Deposited:	29 Jan 2017 06:49
Last Modified:	31 Dec 2020 07:03
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140249