USAGE OF EARTH MATERIALS IN CONSTRUCTION: EXPERIMENTAL AND STATISTICAL APPROACHES. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) PhD Dissertation (201406420).pdf Restricted to Repository staff only until 7 February 2024. Download (12MB)

Arabic Abstract

المباني الأرضية هي طريقة بناء تقليدية تتضمن ضغط مزيج من التربة والطين والركام لإنشاء جدران متينة وموفرة للطاقة. تساعد الكتلة الحرارية للجدران الترابية على تنظيم درجات الحرارة الداخلية، مما يقلل من الحاجة إلى أنظمة التدفئة والتبريد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام المواد من مصادر محلية والعمل اليدوي في البناء الأرضي المدكوك يقلل من البصمة الكربونية لعملية البناء. علاوة على ذلك، يمكن أن يوفر البناء الترابي المدكوك أيضا مقاومة جيدة للصوت والحريق، وصيانة منخفضة بالإضافة للعمر الطويل لهذه المباني مما يجعله خيارا مستداما وفعالا من حيث تكلفة البناء و تقليل استهلاك الطاقة في المباني. لذلك ، أجريت الدراسة الحالية لتقييم إمكانيات استخدام التربة المحلية التي تم جمعها من منطقة الرياض (نجد) في البناء كحل متميز لبناء المباني السكنية في المستقبل. تم جمع أربعة أنواع مختلفة من التربة من منطقة نجد وتم توصيفها بناء على توزيع حجم الحبيبات وحدود الاتساق و تم تثبيت التربة باستخدام الأسمنت أو الجير بنسب مختلفة (0 ، 2.5 ، 5 ، 7.5 ، 10 ، 12.5 و 15٪ بناء على الوزن الجاف للتربة). تم تقييم التربة المثبتة من حيث قوتها ومتانتها، كما تمت مقارنة النتائج المحققة مع تلك التي اقترحتها المعايير الدولية (قانون نيوزيلندا والبناء الموحد) لاختيار الجرعات المثلى. وقد وجد أنه بالنسبة لنوعين من التربة (ذات اللدونة العالية) ، فإن تثبيت الأسمنت فقط هو الذي يمكن أن يحقق الأداء المطلوب. من ناحية أخرى ،حققت أنواع التربة المتبقية (اللدونة المتوسطة والمنخفضة) أداء أفضل مع تثبيت الأسمنت والجير. بالنظر إلى الجرعات المثلى فقط، تم قياس التوصيل الحراري للتربة المثبتة. بعد ذلك، و باستخدام خصائص الكثافة والتوصيل الحراري، تم إجراء محاكاة عددية لتقييم أداء الطاقة لغرفة سكنية في المملكة العربية السعودية. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها قدرة التربة المستقرة على تقليل استهلاك الطاقة مقارنة بمواد البناء النموذجية (أي الخرسانة). ومع ذلك، فقد وجد أنه لتحقيق الأداء الحراري المطلوب، يجب تطبيق سمك كبير من جدار الأرض المدكوك (أكثر من 0.45 متر). لذلك، تم اقتراح نظام مركب يتكون من مواد أرضية مستقرة وطبقة عازلة (في المنتصف) وتحليلها عدديا. وقد وجد أن استخدام مثل هذا النظام من شأنه أن يقلل من استهلاك الطاقة بشكل كبير. أخيرا، تم إجراء تحليل إحصائي شامل للبيانات التي تم جمعها من الدراسات السابقة لتطوير أدوات مناسبة للتنبؤ بقوة المواد الأرضية (غير المثبتة والمثبتة)، ولتحسين تصميم خلطات التربة في الدراسات المستقبلية. تم إجراء التحليل باستخدام أربعة طرق مختلفة: الانحدار متعدد الخطوط (MLR) ، والشبكات العصبية الاصطناعية (ANN)، وانحدار متجه الدعم (SVR) وأشجار القرار (DT). استخدمت هذه الطرق الأربع بيانات الدراسات السابقة وتم التحقق من صحتها باستخدام النتائج التجريبية التي تحققت في الدراسة الحالية. وقد وجد أن استخدام نتائج MLR من شأنه أن يعطي ارتباطا ضعيفا بين UCS المتوقع والفعلي بسبب تعدد الارتباطات بين متغيرات الإدخال. من ناحية أخرى ، تمكنت ANN من التنبؤ بالأداء الفعلي للأرض المستقرة وتم استخدامها لتحسين خصائص التربة اللازمة للمباني الأرضية. و فيما يتعلق بالطريقتين الأخيرتين (SVR و DT)، تم تحقيق نتائج أفضل في مرحلتي التدريب والاختبار للنماذج وكانتا قادرتين على التنبؤ بالنمط العام لتطوير القوة للتربة المستقرة. وقد لوحظت بعض الاختلافات الهامشية بين قوة الضغط (UCS) الفعلية والمتوقعة في حالة نماذج ANN و SVR و DT. وتعزى هذه الاختلافات إلى تقنيات التقدير التي تم تنفيذها لإكمال بيانات الدراسات السابقة المفقودة. وأخيرا، يمكن الاستفادة من النتائج المقدمة في هذه الدراسة الحالية لتعزيز ممارسة بناء المباني الأرضية/الطينية في المملكة العربية السعودية وأجزاء أخرى من العالم (تحتوي على أنواع مماثلة من التربة). علاوة على ذلك، يمكن استخدام الأدوات الإحصائية المطورة لتقدير أداء المواد االترابية/الطينية على مستوى العالم مع الأخذ في الاعتبار النطاق الكبير لخصائص التربة التي تم استخدامها أثناء بناء النماذج.

English Abstract

Rammed earth (RE) construction is a traditional building methodology that involves compacting a mixture of soil, clay, and aggregate to create durable and energy-efficient walls. The thermal mass of RE walls helps to regulate indoor temperatures, thereby reducing the need for heating and cooling systems. Additionally, the use of locally sourced materials and manual labor in RE construction reduces the carbon footprint of the building process. Studies have shown that RE buildings can have significantly lower energy consumption compared to conventional buildings. Furthermore, RE construction can also provide good acoustic and fire resistance, low maintenance and long lifespan. These advantages make RE a sustainable and cost-effective option for reducing energy consumption in buildings. Therefore, the current study was conducted to assess the possibilities of using local soils collected from Riyadh/Najd region in earth construction as a valuable solution for residential buildings construction in future. Four different types of soils were collected from Najd area and characterized based on their grain size distribution and consistency limits. Then the soils were stabilized using either cement or lime at different dosages (0, 2.5, 5, 7.5, 10, 12.5 and 15% by the dry weight of the soils). The stabilized soils were assessed in terms of their strength and durability. The results achieved were compared to those proposed by the international standards (New Zealand Standard and the Uniform Building Code) to select the optimum dosages. It was found that for two soils (of high plasticity), only cement stabilization could achieve the required performance. On the other hand, the remaining two soils (medium and low plasticity) achieved better performance with both cement and lime stabilization. Considering only the optimum dosage, the thermal conductivity of the stabilized soils was measured. Then, using the density and thermal conductivity characteristics, a numerical simulation was carried out to assess the energy performance of a typical residential “room” in Saudi Arabia. The results developed in this study proved the capability of the stabilized soils to reduce the energy consumption as compared to typical construction materials (i.e., concrete). However, it was found that to achieve the required thermal performance, a large thickness of rammed earth wall should be applied (more than 0.45 m). Therefore, a composite section consisted of stabilized earth materials and an insulation layer (in the middle) was suggested and analyzed numerically. It was found that utilizing such a system would reduce the energy consumption significantly. Finally, a thorough statistical analysis was carried out on the data collected from literature to develop suitable tools to predict the unconfined compressive strength of earth materials (unstabilized and stabilized), and to optimize the earth mix design for future studies. The analysis was carried out using four different approaches: Multilinear Regression (MLR), Artificial Neural Networks (ANN), Support Vector Regression (SVR) and Decision Trees (DT), utilizing the literature data and was validated using the experimental results achieved in the current study. It was found out that the use of the MLR results would give weak correlation between the predicted and actual unconfined compressive strength (UCS) due to the multicollinearity between the input variables. On the other hand, the ANN was able to predict the actual performance of the stabilized earth and was used to optimize the soil characteristics needed for earth construction applications. Regarding the last two methods (SVR and DT), better results were achieved in both training and testing phases of the models, and they were able to predict the general pattern of strength development for the stabilized soils. Some marginal differences between the actual and predicted UCS were observed in the case of ANN, SVR and DT models. Such differences were ascribed to the estimation techniques that were implemented to complete the missing literature data. The results presented in the current study can be utilized to enhance the practice of earth construction in Saudi Arabia and other parts of the world with similar soil types. Moreover, the developed statistical tools can be used to estimate the performance of earth materials globally considering the large range of soil properties that were utilized in this comprehensive investigation.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Amoudi, Omar
Committee Co-Advisor:	Zami, Mohammed
Committee Members:	Al-Osta, Mohammad and Al-Abdulwahhab, Hamad I. and Saleh, Tawfik
Depositing User:	YASSIR MUSTAFA (g201406420)
Date Deposited:	09 Feb 2023 06:53
Last Modified:	09 Feb 2023 06:53
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142335