Experimental and Numerical Investigations of Flexural Behavior of Concrete Hollow Beams Reinforced With GFRP Bars. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Fahad Alharthi MS Thesis) Fahad Alharthi MS Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 20 June 2024. Download (12MB)

Arabic Abstract

الكمرات الخرسانية المجوفة طوليا والمسلحة بأسياخ الألياف الزجاجية (GFRP) تقنية جديدة يمكن أن تقلل من استهلاك المواد، تعزز الكفاءة، وتقاوم الحرارة بذلك تجعل العناصر المرنة في المنشآت أقل وزنا وتسمح باستخدامها كمسار للأسلاك الكهربائية والأنابيب. يوجد الكثير من الدراسات السابقة في سلوك الكمرات الخرسانية المسلحة المصمتة. على الرغم من ذلك هناك عدد أقل من المعلومات المتوفرة عن الكمرات المجوفة المسلحة بحديد التسليح وبالإضافة إلى ذلك لا يوجد بحوث متوفرة عن الكمرات المجوفة والمسلحة بالألياف الزجاجية. شهد استخدام أسياخ الألياف الزجاجية ارتفاع ملحوظ في السنوات الأخيرة نظرا لقدرته على تجنب التآكل المترتب على استخدام حديد التسليح وأيضا إطالة عمر المنشآت لأكثر من مئة سنة. وتمتاز الألياف الزجاجية بإمكانية استخدامها كتسليح داخلي في المنشآت الخرسانية وذلك لتشابهها من حيث الشكل مع حديد التسليح العادي. ومما يميز هذا النوع من الأسياخ ممانعتها للتفاعلات الكهروكيميائية، وعدم مغناطيسيتها. يهدف هذا البحث إلى دراسة السلوك المرن للكمرات الخرسانية والمسلحة بالألياف الزجاجية بطرق عملية، وتحليلية وأيضا رقمية. وكما تتناول هذه الدراسة تأثير ثلاثة متغيرات على السلوك المرن للكمرات: الأول نوع التسليح المستخدم (حديد تسليح عادي أو ألياف زجاجية)، بينما المتغير الثاني والثالث هو حجم وشكل الفجوة الطولية. الدراسة العملية شملت دراسة سبعة عينات من الكمرات الخرسانية، لكل عينة تكوين مختلف. شملت العينات المختبرة عمليا كمرة خرسانية مصمتة مسلحة بالألياف الزجاجية في منطقة الشد، وكمرة خرسانية مصمتة مسلحة بالألياف الزجاجية كتسليح علوي، وسفلي، وعرضي، وأربع كمرات خرسانية مجوفة مسلحة بالألياف الزجاجية مجوفة تجويفا طوليا بفجوات تمثل 9% من مساحة القطاع المصمت، وكما شملت الدراسة العملية أيضا على كمرة خرسانية مجوفة بنسبة 9% مسلحة بحديد التسليح العادي. اختبرت العينات تحت تأثير حمل ثابت بواسطة أربع نقاط. في هذه الدراسة تم تطبيق العديد من المفاهيم والمعادلات النظرية لتقييم الجوانب الحرجة في الكمرات المجوفة. تشمل هذه الجوانب أحمال التشقق والانهيار ومقدار الانحناء عند تلك الأحمال، بينما الدراسة الرقمية نفذت باستخدام برنامج (Abaqus) لمحاكاة السلوك المرن للكمرات الخرسانية المسلحة بالألياف الزجاجية. شملت الدراسة الرقمية على دراسة العديد من المتغيرات كموقع الفجوة، حجمها وشكلها. أظهرت النتائج العملية أن الفجوات الطولية بنسبة أقل من 15% ليس لها تأثير حرج على السلوك المرن للكمرات المجوفة المسلحة بالألياف الزجاجية. كما تبين أيضا قدرة النموذج الرقمي على التنبؤ بسلوك الكمرات المجوفة المختبرة عمليا بدقة.

English Abstract

Glass fiber reinforced polymer (GFRP) Reinforced Concrete (RC) beams with a longitudinal hole are an innovative new concept that could reduce materials, enhance efficiency, increase thermal resistance, and provide a lightweight structural flexural member. The hole can also provide space for running utilities like ducts, electrical wires, and pipelines. Extensive literature exists regarding the behavior and structural capacity of solid reinforced concrete (RC) beams. However, there remains a notable scarcity of information pertaining to the behavior and strength characteristics of concrete beams with longitudinal holes and reinforced with steel bars. Additionally, a dearth of research studies can be observed specifically regarding hollow concrete beams reinforced with GFRP bars. The use of GFRP bars has witnessed a notable surge in recent years due to their ability to address the detrimental effects of reinforcing steel corrosion and extend the service life of concrete structures beyond 100 years. GFRP bars, serving as internal reinforcement, closely resemble conventional steel reinforcement in terms of geometric characteristics. They exhibit advantageous qualities such as immunity to electrochemical reactions, as well as non-conductivity and non-magnetism. This study aimed to investigate the flexural behavior of hollow GFRP reinforced concrete beams through experimental, analytical, and numerical approaches. The study considered the effects of three variables on the flexural behavior of the beams: the first is the type of reinforcement material (conventional steel or GFRP bars), whereas the second and the third are the longitudinal hole size and shape. The experimental investigation involved the testing of seven distinct beam specimens, each embodying a unique composition. In the experimental study, a comprehensive examination of seven distinct beam configurations was conducted. The specimens under experimental investigation encompassed a solid GFRP concrete beam with GFRP bars in the tension zone, a solid concrete beam that was reinforced entirely with GFRP materials in the upper, lower, and transverse directions, and four hollow GFRP concrete beams. The latter beams were characterized by longitudinal holes, the sizes of which varied within a range of 6% to 15% in relation to the total cross-sectional area, and a hollow steel beam with a 9% longitudinal hole area. The experimental works consisted of testing the beams under four-point flexural static load. A variety of analytical concepts were integrated into the study, where analytical formulas were specifically used to assess critical aspects of the hollow GFRP beams. These aspects included cracking load, ultimate load, and deflections at these loads, while a numerical investigation was conducted using ABAQUS to simulate the behavior of GFRP hollow concrete beams. The numerical investigation included a parametric study that examined various variables such as the location, size, and shape of the longitudinal hole. The experimental results showed that the hollow size of less than 15% of the total section area did not significantly impact the flexural strength of the hollow GFRP concrete beams. The numerical model was found to accurately predict the behavior of the tested beams.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Osta, Mohammed
Committee Members:	Al-Zahrani, M.M. and Ahmad, Shamsad and Elamary, Ahmad
Depositing User:	FAHAD ALHARTHI (g202006460)
Date Deposited:	21 Jun 2023 07:59
Last Modified:	21 Jun 2023 07:59
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142440