Strengthening of Corroded Reinforced Concrete Beams Using Ultra High Performance Concrete (UHPC)

Strengthening of Corroded Reinforced Concrete Beams Using Ultra High Performance Concrete (UHPC). PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Dissertation)
Ph.D. Dissertation ALHURI.pdf
Restricted to Repository staff only until 18 May 2023.

Download (8MB)

Arabic Abstract

إن تآكل هياكل الخرسانة المسلحة (RC) يعتبر أحد الأسباب الرئيسية لفقدان قدرة تحمل الأحمال للعناصر الخرسانية مما يؤدي إلى تقليل العمر التشغيلي للأعضاء والعناصر الخرسانية الهيكلية. إن عملية التآكل لها تأثيرات مترابطة متعددة منها تقليل مساحة المقطع العرضي للقضبان الفولاذية بسبب تكوين صدأ الحديد وكذلك تدهور الترابط بين الخرسانة وحديد التسليح. إن شدة تآكل حديد التسليح يؤثر بشكل مباشر على الهياكل الخرسانية المسلحة RC ، بما في ذلك قوة الانحناء والليونة وسلوك الترابط وأنماط الفشل. إن هذه الظواهر قد تؤدي الى احداث أضرار بالغة بالسلامة الهيكلية للعناصر الخرسانية الإنشائية وقد تتسبب في انهيار المنشأة الخرسانية المسلحة قبل الأوان. لذلك ، من الأهمية بمكان تطوير اساليب وطرق جديدة لإطالة عمر خدمة الهياكل الخرسانية المسلحة RC التالفة من خلال تطبيق مواد إصلاح طويلة الأمد وفعالة وآمنة أيضا مناسبة من حيث التكلفة. لقد أصبح تعزيز العناصر الخرسانية غير التالفة باستخدام الخرسانة فائقة الأداء (UHPC) أمرًا شائعًا في السنوات الأخيرة. ومع ذلك، فإن استخدام الخرسانة UHPC لتقوية العناصر الخرسانية التالفة بسبب تآكل حديد التسليح ليس متوفراً في المراجع والأوراق العلمية. لذلك ، تهدف الدراسة المقترحة إلى التحقيق في سلوك الانحناء لتقوية حزم الخرسانة المسلحة المتآكلة باستخدام سماكات وتكوينات طبقات مختلفة من خرسانة UHPC بهدف التحقيق في آثار تقوية الجسور المتآكلة من حيث التحسينات في قدرة تحمل الأحمال والخصائص الأخرى المرتبطة بها. تم تصميم ثمانية وعشرين جسر من الخرسانة المسلحة وإعدادها وصبها لدراسة سلوكها قبل وبعد التقوية بطبقات UHPC. كما تم كذلك تطوير نظام جديد لتقنية التآكل المتسارع في المختبر لمحاكاة التآكل الفعلي في الحياة الواقعية. تم اختبار جسر واحد من الجسور المصبوبة بدون احداث أي اضرار بها وبدون تقوية وتم تصنيفها كعينات تحكم أساسية. تم تعريض الجسور السبعة والعشرين المتبقية للتآكل المتسارع باستخدام تقنية التيار القسري المسلط لإحداث درجات معينة من فقدان الكتلة في قضبان حديد التسليح. تم تضمين ثلاثة مستويات تآكل مختلفة (10، 20، 30٪) في الدراسة والتي تمثل تآكل متوسط وشديد وشديد جداً. تحتوي كل مجموعة على سبع عينات من الجسور ليتم تآكلها بنفس الدرجة من مستوى التآكل. تم استخدام ست عينات من الجسور المصبوبة لدراسة الأداء المعزز بعد التآكل بسبب التآكل التالف من خلال تآكلها أولاً إلى درجة تآكل معينة وبعد ذلك تقويتها باستخدام UHPC ومن ثم إعادتها إلى نظام التآكل المتسارع مرة أخرى. تم استخدام تكوينات مختلفة في نظام التقوية بما في ذلك تقوية الجوانب الثلاثة أو تقوية جانب واحد فقط من الأسفل. كما تم استخدام سماكات مختلفة لكل تكوين تقوية بما في ذلك 20 و 40 و 60 ملم في حالة التقوية من جانب واحد و 20 و 30 و 40 ملم في حالة التقوية ثلاثية الجوانب. تم اختبار جميع الجسور التي تمت او لم تتم تقويتها باستخدام اختبار الانحناء لتقدير سلوك تقوية UHPC على الجسور المتآكلة باستخدام بيانات انحراف الحمل المسجلة أثناء اختبار الانحناء. علاوة على ذلك ، تم تطوير النماذج الميكانيكية / التحليلية والتحقق من صحتها من خلال التجارب للتنبؤ بقدرة الحمل على الجسور المتآكلة والتي تمت تقويتها باستخدام UHPC. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء نمذجة العناصر المحدودة (FEM) باستخدام برنامج ABAQUS لتقييم ودراسة سلوك الجسور الخرسانية المتآكلة والتي تمت تقويتها باستخدام UHPC. تم التحقق من صحة النماذج FEMs من خلال النتائج التجريبية وكذلك استخدمت هذه النماذج لإجراء دراسات بارامترية مختلفة. أظهرت النتائج التجريبية والتحليلية والعددية وجود توافق كبير فيما بينها مع نسبة خطأ صغيرة.

English Abstract

Reinforcement corrosion in concrete structures is one of the main reasons behind the loss of load-bearing capacities and degradation of the structural performance of reinforced concrete (RC) elements resulting in a significant reduction in the service life of concrete members. Therefore, it is critical to develop new approaches to enhance the service life of damaged RC members by applying long-lasting, efficient, safe, and cost-effective strengthening materials. Strengthening the undamaged RC members using ultra-high-performance concrete (UHPC) has become very popular in recent years. However, the use of UHPC to strengthen the damaged concrete elements due to reinforcement corrosion is hardly reported in the literature. Therefore, the present study aims to investigate the influence of different thicknesses and/or configurations of UHPC layers on structural behavior of corroded RC beam specimens after strengthening/repairing to improve load-bearing capacities. Twenty-eight RC beam specimens were designed, prepared, and cast to study their behavior before and after strengthening with UHPC layers. A new setup for inducing reinforcement corrosion (based on the concept of impressed current technique) was developed ensuring natural pattern of the occurrence of reinforcement corrosion. One uncorroded RC beam specimen was tested as a control specimen. The remaining twenty-seven RC beam specimens were subjected to reinforcement corrosion using the developed setup to cause targeted degrees of reinforcement corrosion. Three different reinforcement corrosion levels: 10, 20, and 30% (mass loss due to induced reinforcement corrosion) were considered as medium, severe, and very severe corrosion levels, respectively. Each group contained seven RC beam specimens to cause the same degree of reinforcement corrosion. In addition, six RC beam specimens were used to study the post-strengthened performance against reinforcement corrosion. For this, the specimens were corroded to a certain degree and then strengthened using different thicknesses of UHPC layers, after that the specimens were further subjected to corrosion. Two different strengthening configurations were used, including three sides and one bottom side using UHPC layers. For each strengthening configuration, three different thicknesses of UHPC layers were used. Layer thicknesses of 20, 40, and 60 mm were used in the case of one-sided repair and layer thicknesses of 20, 30, and 40 mm were used in the case of three-sided strengthening. All the strengthened and un-strengthened beam specimens were tested in flexure to evaluate the effect of UHPC strengthening layers on the flexural performance of the corroded RC beam specimens using the load-deflection data recorded during flexural testing. Moreover, mechanistic/analytical modelling was carried out to predict the ultimate load-carrying capacities of the corroded RC beams strengthened with UHPC using different sets of configurations and thicknesses. The models were validated using the experimental data generated under the present work. In addition, finite element modelling (FEM) was performed using ABAQUS software to capture the structural performance of corroded beam specimens strengthened/repaired using the UHPC layers. The FEMs were validated with the results obtained from the experiments and were used to carry out various parametric studies. The experimental, analytical, and numerical results showed high degree of agreement.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Civil Engineering > Structural Engineering
Department: College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor: Ahmad, Shamsad
Committee Members: Maslehuddin, Mohammed and Al-Gadhib, Ali and Al-Dulaijan, Salah
Depositing User: MOHAMMED ABDULKAREM AL-HURI (g201304170)
Date Deposited: 19 May 2022 12:05
Last Modified: 19 May 2022 12:05
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142106