EVALUATION OF PERFORMANCE OF GFRP BAR-REINFORCED CONCRETE SLABS-ON-GROUND AND GFRP DOWELS AT JOINTS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ph.D. Dissertation) MOHAMMED FASIL - G201703570 - PhD DISSERTATION - EPRINT KFUPM - 23-07-2023.pdf Restricted to Repository staff only until 23 July 2024. Download (13MB)

Arabic Abstract

يحدث التكسير العشوائي في الألواح الخرسانية المسلحة بالفولاذ على الأرض في المراحل المبكرة بشكل أساسي بسبب تشوه الانكماش والتغيرات الحجمية الناتجة عن الانكماش / التمدد الحراري. تسمح هذه الشقوق بحدوث مسارات تؤدي لسهولة نقل الرطوبة والكلوريدات والمواد الكيميائية ، مما يؤدي إلى تآكل حديد التسليح في الخرسانة. في العقدين الماضيين ، تم استخدام قضبان البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP) خفيفة الوزن وغير قابلة للتآكل والمستدامة في العديد من التطبيقات التي توفر أكثر من 100 عام من عمر الاستخدام ، كما وتمتاز بسرعة البناء ، وتكاليف مماثلة لحديد الصلب. من التطبيقات الرئيسية الحديثة لقضبان GFRP في هذا المجال إنشاء قناة للتخفيف من آثار الفيضانات بطول 21.3 كم في جازان بالمملكة العربية السعودية ، مما يشكل أكبر هيكل مقوى بقضيب GFRP في العالم. يعتمد تصميم الألواح المدعمة بقضيب GFRP على الأرض على معادلات تجريبية مشتقة من ألواح الصلب المقواة في المراجع العالمية الحالية. يعد المعامل المنخفض لمرونة قضبان GFRP وضغط التمزق الشكلي من القيود الرئيسية ، مما يضمن البحث في جوانب تصميم قضبان GFRP للهياكل المدعومة على الأرض. تشتمل هذه الرسالة على ثلاثة أجزاء تتضمن مراقبة الانكماش في الألواح المعرضة للحقل على الأرض ، وكفاءة نقل الأحمال لقضبان وتد GFRP ذات القطر الصغير في المفاصل في الألواح على الأرض وقدرة تحميل القص للثقب لقضيب GFRP- في الألواح الخرسانية المسلحة على الأرض. تضمنت الدراسة الأولى المراقبة الميدانية طويلة الأجل لثمانية عشر عينة كبيرة الحجم من الألواح على الأرض بأبعاد 6000 × 1100 × 200 متر مكعب ، مستندة على قاعدة خرسانية فوق أرضية سفلية للتربة ومعرضة للبيئة المحيطة لأكثر من 600 يوم باستخدام أكثر من 180 جهاز استشعار مثبتة على قضبان GFRP ومدمجة في الخرسانة. المعلمات الرئيسية للدراسة هي نوع التعزيز (GFRP المضلع ، GFRP المطلي بالرمل ، والفولاذ المضلع التقليدي) ، مسافات التسليح (200 ملم و 300 ملم) ، سماكة اللوح (100 ملم و 200 ملم) ، وتأثير مفاصل الانكماش. وقد لوحظ تأثير هذه العوامل على عرض الشقوق وأنماط الشقوق والخرسانة وسلالات التسليح. الجزء الثاني هو دراسة قابلية تطبيق قضبان GFRP ذات قطر أصغر عند المفاصل في الألواح على الأرض في التطبيقات التي تتعرض لأحمال خفيفة من حركة المرور. تم تضمين قضبان GFRP بثلاثة أقطار (14 ملم و 16 ملم و 38 ملم) ومسامير من الفولاذ المقاوم للصدأ (قطر 12 مم) عبر مفصل بعقب بعرض 25 مم في لوح اختبار بأبعاد إجمالية 1500 × 750 × 200 مم 3. كانت متغيرات الدراسة هي أنواع مواد الوتد (GFRP والفولاذ المقاوم للصدأ) ، وأقطار وتد GFRP ، والمسافات بين قضبان وتد (200 ملم و 250 ملم مركز/ مركز) ، وأنواع التحميل (أحادي ودوري). تمت دراسة أداء عينات الألواح ذات الوصلة المبطنة بناءً على التكسير والأحمال النهائية وأنماط الفشل واستجابة إزاحة الحمل. تم قياس قدرة قضبان الوتد على نقل عمليات الإزاحة عبر المفصل باستخدام فعالية المفصل وكفاءة نقل الحمل والانحرافات النسبية. تناولت الدراسة الثالثة قدرة قص التثقيب للبلاطات المقواة بقضبان GFRP المعرضة لأحمال مركزة. تم إنشاء ما مجموعه 12 لوحًا بقياس 1.5 × 1.5 × 0.15 متر مكعب بطبقة واحدة من شبكة تقوية ووضعها على رغوة بوليسترين مبثوقة بسمك 100 ملم مع معامل تفاعل الطبقة السفلية يبلغ 124 ميجا باسكال / م ، مما يحاكي ظروف التربة الرملية الكثيفة . كانت متغيرات الدراسة نوع حديد التسليح (نوعان من قضبان GFRP والصلب التقليدي) ، وتباعد القضبان (200 ملم و 300 ملم) ، وموقع شبكة التعزيز في البلاطة (الثلث العلوي ، والعمق الأوسط ، والثالث السفلي) ، والموقع للحمل المركز (المركز والحافة والزاوية) ونوع التحميل (رتيب ودوري). تم اقتراح معادلة تجريبية للتنبؤ بقدرة حمولة القص للثقب للألواح المعلقة والمدعومة بقضيب GFRP. تم التحقق من صحة المعادلة المقترحة من خلال النتائج التجريبية من قاعدة بيانات كبيرة مكونة من 161 عينة من 25 عمل بحثي. أخيرًا ، تم تطوير نموذج رقمي للبلاطة المعرضة لانكماش التجفيف في ظل الظروف المحيطة في ABAQUS. تنبأ نموذج العناصر المحدودة المطورة للبلاطة على الأرض بدقة معقولة بتطور الضغوط الناتجة عن البيئة والتشقق في البلاطة الخرسانية. أجريت الدراسات البارامترية باستخدام نموذج FE المصدق للتحقق من تأثير العوامل مثل قوة الخرسانة وقطر القضيب وسمك اللوح.

English Abstract

Random cracking in steel-reinforced concrete slabs-on-ground at early ages occurs principally due to the shrinkage deformation and volumetric changes arising from thermal contraction/expansion. These cracks provide pathways for the easy transport of moisture, chlorides, and chemicals, leading to the corrosion of embedded reinforcements. In the last two decades, lightweight, non-corrosive, and sustainable glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars have been used in several applications offering more than 100 years of service life, faster construction, and costs comparable to steel reinforcement. A recent major application of GFRP bars in the field is the construction of a 21.3 km-long flood mitigation channel in Jazan, Saudi Arabia, constituting the largest GFRP bar-reinforced structure in the world. The design of GFRP bar-reinforced slabs-on-ground is based on empirical equations derived from steel-reinforced slabs in the existing codes. The low modulus of elasticity of GFRP bars and the creep rupture stress are two major limitations, which warrant research on the design aspects of GFRP bars for grade-supported structures. This dissertation comprises a three-part work that involves the monitoring of shrinkage in field-exposed slabs-on-ground, load transfer efficiency of small diameter GFRP dowel bars in joints in slabs-on-ground and punching shear load capacity of GFRP bar-reinforced concrete slabs-on-ground. The first study involved the long-term field monitoring of eighteen large-scale slabs-on-ground specimens of dimensions 6000 × 1100 × 200 mm3, resting on lean concrete subbase over compacted soil subgrade and exposed to ambient environment for more than 600 days using more than 180 sensors installed on the GFRP bars and embedded in concrete. The major parameters of the study are reinforcement type (ribbed GFRP, sand-coated GFRP, and conventional ribbed steel), reinforcement spacings (200 mm and 300 mm), slab thickness (100 mm and 200 mm), and effect of contraction joint. The effect of these parameters on crack widths, crack patterns, and concrete and reinforcement strains was observed. The second part investigated the applicability of smaller diameter GFRP dowel bars at joints in slabs-on-ground in applications subjected to light traffic loads. GFRP dowel bars of three diameters (14 mm, 16 mm, and 38 mm) and stainless steel dowels (12 mm dia.) were embedded across a 25 mm-wide butt-joint in a test slab of overall dimensions 1500 × 750 × 200 mm3. The variables of the study were dowel material types (GFRP and stainless steel), GFRP dowel diameters, spacings of dowel bars (200 mm and 250 mm c/c), and types of loading (monotonic and cyclic). The performance of the dowelled-joint slab specimens was studied based on cracking and ultimate loads, modes of failure, and load-displacement response. The ability of the dowel bars to transfer displacements across the joint was quantified using joint effectiveness, load transfer efficiency, and relative deflections. The third study investigated the punching shear capacity of slabs-on-ground reinforced with GFRP bars subjected to concentrated loads. A total of 12 slabs measuring 1.5 × 1.5 × 0.15 m3 were constructed with a single-layer of reinforcement grid and placed on a 100 mm-thick extruded polystyrene foam with a modulus of subgrade reaction of 124 MPa/m, simulating dense sand subgrade conditions. The variables of the study were the rebar type (two types of GFRP bars and conventional steel), spacing of bars (200 mm and 300 mm), reinforcement grid location in the slab (top third, middle depth, and bottom third), location of concentrated load (center, edge, and corner), and type of loading (monotonic and cyclic). An empirical equation is proposed for the prediction of punching shear load capacity of GFRP bar-reinforced suspended and ground-supported slabs. The robustness of the proposed equation was validated with the experimental results from a large database of 161 specimens from 25 research works. Finally, a numerical model for the slab subjected to drying shrinkage under ambient conditions was developed in ABAQUS. The developed finite element model of the slab-on-ground predicted with reasonable accuracy the evolution of environmentally induced stresses and cracking in the concrete slab. Parametric studies were performed with the validated FE model to investigate the effect of parameters such as concrete strength, bar diameter, and slab thickness.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Zahrani, M. M.
Committee Members:	Al-Dulaijan, S. U. and Al-Gahtani, H. J. and Nanni, A.
Depositing User:	MOHAMMED FASIL (g201703570)
Date Deposited:	26 Jul 2023 10:55
Last Modified:	26 Jul 2023 10:55
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142461