SUPERVISOR
Antonio Pinho Ramos,Davood Mostofinejad,Mojtaba Azhari
آنتونیو پینهو راموس (استاد مشاور) داود مستوفی نژاد (استاد راهنما) مجتبی ازهری (استاد مشاور)
STUDENT
Ala Torabian Esfahani
آلاء ترابیان اصفهانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Experimental and analytical investigation of flexural behavior of RC flat slabs strengthened with FRP composites under concentric vertical loading
Reinforced concrete (RC) flat-plate structural systems are considered as key members in RC buildings, failure of which may result in progressive collapse of the building. Flat slab may fail by punching shear failure, flexural failure, or combined flexural-shear failure. Punching failure is associated with a particular collapse mechanism in which the column together with an attached portion of the slab pushes through the surrounding slab. Flexural failure is a ductile failure through which flexural cracks propagate in the tension face of the slab and large deflections are experienced by the slab. Which of the above failures occurs highly depends on the internal reinforcement of the slab. External strengthening of a slab also affects its failure mode. The present thesis is concerned with study of the flexural behavior of flat slabs, as well as improving the behavior of slabs with low flexural strength. For this purpose, two groups of slab specimens were tested. In the first group, all the specimens were designed with similar flexural reinforcement, but were strengthened with different external strengthening systems. In the second group, the specimens were designed differently and the effect of the internal reinforcement on the slabs’ behavior was studied. The specimens in the first group were designed with flexural reinforcement ratio of 0.22%, representing flat slabs which are weak in flexure. One specimen was considered as the reference specimen and seven specimens were externally strengthened. Flexural strengthening of the specimens was performed with carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) sheets installed with externally bonded reinforcement (EBR) and externally bonded reinforcement on grooves (EBROG) methods. In order to improve the slabs’ behavior and to constitute a maximum utilization of the strength and strain capacity of the FRP, steel bolts were used for strengthening of the specimens against punching shear. Different patterns of the FRP sheets were also investigated in this group. Tests showed that in the slab without shear bolts, EBROG technique changed the mode of failure from FRP debonding to punching shear mode. Simultaneous flexural and punching strengthening of slab utilizing EBROG method resulted in 57% increase in the load bearing capacity. Flexural and flexural-punching strengthening of the slab specimens also improved their serviceability by decreasing their ultimate deflection, limiting the width of the flexural cracks and their propagation, increasing the cracking load, and increasing the load level corresponding to serviceability limit state. Flexural and flexural-punching strengthening decreased the ductility of the slab specimens. The second group consists of six thin sla four slabs with flexural reinforcement ratio of 0.38% and two slabs with flexural reinforcement ratio of 1.00%. Three of these specimens were reinforced with shear headed studs as internal shear reinforcement. Results show that decreasing the flexural reinforcement ratio as well as employing shear reinforcement change the behavior of slab to a more ductile manner; however, punching shear failure is an unavoidable phenomenon in slab-column connections. In this group, two specimens were strengthened in flexure with FRP sheets using EBROG technique and the efficiency of external flexural strengthening was compared with that of internal flexural reinforcement. According to the results, strain-hardening of the reinforcement bars considerably affected the flexural behavior of the slabs with no FRP strengthening, while its effect on the behavior of the FRP-strengthened specimens was negligible. In addition to the experimental investigations, analytical studies were also accomplished. In the first part of the analytical studies, load capacity of the experimental specimens was estimated using yield-line theory as well as codes’ expressions. A new approach was also developed in this part to estimate the flexural strength of FRP-strengthened flat slabs by extending the yield-line theory for such slabs. In the second part of the analytical studies, critical shear crack theory (CSCT) was used to predict the behavior and failure mode of the experimental specimens. The analytical results were compatible with the experimental ones. It was also shown that the effect of strain-hardening should be taken into account in the theoretical calculations for the thin slabs in the second group. Key Words RC flat slab, flexural behavior, FRP sheet, EBROG technique, yield-line theory, critical shear crack theory.
دالهای دو طرفهی تخت از کلیدیترین اعضا در انتقال بار در ساختمانهای بتن آرمه بوده که بروز شکست در آنها سبب آسیبهای شدید به سازه و یا حتی انهدام کل سازه میشود. شکست دال تخت ممکن است به صورت شکست برش منگنهای، شکست خمشی و یا ترکیبی از این دو اتفاق بیفتد. شکست برش منگنهای ایجاد ترک مورب در اطراف ستون است که به سبب آن، ستون به داخل دال فرو رفته و آن را سوراخ میکند. در مقابل، شکست خمشی ایجاد ترکهای خمشی در وجه کششی دال است که به موجب آن، دال تغییر شکلهای بزرگی را تجربه میکند. احتمال وقوع هر یک از شکستهای خمشی و یا برشی وابسته به طراحی فولاد گذاری داخلی دال است. همچنین تقویت خارجی دال، مود شکست آن را تغییر میدهد. رسالهی حاضر به بررسی رفتار خمشی دال تخت از دو دیدگاه طراحی و تقویت دال و نیز بهبود رفتار دال تخت با ضعف خمشی اختصاص دارد. برای این منظور، نمونهها به دو گروه تقسیم بندی شدند؛ در گروه اول، تمامی نمونهها به طور یکسان طراحی شدند و نوع و الگوی تقویت خارجی به عنوان متغیر در نظر گرفته شد و در گروه دوم، طراحی نمونهها متفاوت در نظر گرفته شد و اثر فولاد گذاری داخلی بر رفتار نمونه مورد مطالعه قرار گرفت. نمونههای گروه اول با نسبت میلگرد گذاری کم 22/0 درصد طراحی شدند تا نمایندهی دال با ضعف خمشی باشند. 1 نمونه به عنوان نمونهی تقویت نشدهی مبنا در نظر گرفته شد و 7 نمونه به صورت خارجی تقویت شدند. در تقویت خمشی نمونهها از ورق CFRP با روش آماده سازی سطحی متداول EBR و روش شیار زنی EBROG استفاده شد. همچنین، به منظور بهبود مؤثرتر عملکرد دال و استفادهی حداکثر از ظرفیت کامپوزیت FRP، در برخی از نمونهها از پیچهای فولادی برای مقاومت در برابر برش منگنهای محتمل استفاده شد. الگوی نصب نوارهای FRP در وجه کششی دال نیز در این نمونهها متفاوت در نظر گرفته شد. نتایج حاصل از آزمایش بر روی نمونههای گروه اول نشان داد که روش شیار زنی در نمونهی فاقد پیچهای برشی، موجب حذف جدا شدگی سطحی FRP گردید؛ اما مود شکست را به مود برش منگنهای تغییر داد. استفاده از پیچهای فولادی به صورت توأم با نوارهای FRP نصب شده با روش شیار زنی، با به تعویق انداختن شکست برش منگنهای، موجب افزایش 57 درصدی بار نسبت به نمونهی تقویت نشدهی مبنا گردید. تقویت خمشی و خمشی- برشی دال، همچنین با کنترل تغییر مکان نهایی، کنترل عرض ترکهای خمشی و گستردگی ترکها و نیز افزایش بار ترک خوردگی و بار متناظر با حالت حدی بهره برداری، در بهبود سرویس دهی دال مؤثر عمل نمود. این در حالی است که تقویت خمشی و خمشی- برشی دال، موجب کاهش شکل پذیری نمونههای دال نسبت به نمونهی مبنا گردید. نمونههای گروه دوم، نمونههای دال با ضخامت کم و مشتمل بر 4 نمونه با نسبت میلگرد گذاری 38/0 درصد و 2 نمونه با نسبت میلگرد گذاری 00/1 درصد میباشند. در ساخت 3 نمونه از نمونههای این گروه از گل میخهای سر دار به عنوان فولاد برشی استفاده شد و سایر نمونهها بدون فولاد برشی ساخته شدند. نتایج حاصل از آزمایش بر روی این نمونهها نشان داد که کاهش میزان میلگرد خمشی و نیز استفاده از گل میخهای برشی موجب تغییر رفتار دال به سمت رفتار خمشی میشود؛ اما در هر صورت، وقوع شکست برش منگنهای در دال تخت تحت بار متمرکز اجتناب ناپذیر است. در این گروه، همچنین 2 نمونه با نوارهای CFRP و با روش شیار زنی تقویت شدند و از این طریق، اثر تقویت خمشی خارجی با اثر تسلیح خمشی داخلی مقایسه گردید. با توجه به نتایج، سخت شدگی کرنش میلگردهای خمشی اثر قابل ملاحظهای در رفتار خمشی نمونههای فاقد FRP در این گروه داشت؛ در حالی که اثر آن در رفتار نمونههای تقویت شده با FRP قابل صرف نظر کردن بود. در این تحقیق علاوه بر بررسی نمونههای تجربی، به مطالعات تحلیلی نمونهها نیز پرداخته شد. در بخش نخست مطالعات تحلیلی، ظرفیت باربری نمونههای تجربی با استفاده از تئوری خط تسلیم و نیز روابط آیین نامهای تخمین زده شد؛ ضمن این که رویکردی برای ارزیابی مقاومت خمشی دال تخت تقویت شده با FRP بر اساس مبانی تئوری خط تسلیم ارائه گردید. در بخش دوم مطالعات تحلیلی، از روش تئوری ترک برشی بحرانی (CSCT) برای پیش بینی رفتار و مود شکست نمونههای تجربی استفاده شد. مقایسهی نتایج تحلیلی با نتایج آزمایشگاهی انطباق مناسب آنها را نشان داد. همچنین مشخص شد که در محاسبات تحلیلی نمونههای آزمایش شده با ضخامت کم گروه دوم، اثر سخت شدگی کرنش بایستی لحاظ شود. کلمات کلیدی: دال دو طرفهی تخت، رفتار خمشی، کامپوزیت FRP، شیار زنی، تئوری خط تسلیم، تئوری ترک برشی بحرانی.