DOI: https://doi.org/10.1186/s40069-025-00873-2
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Ahmed A. Hamoda وآخرون
الموضوع الرئيسي: سلوك الهيكل الخرساني المسلح
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الأداء الهيكلي لجدران الخرسانة المسلحة (RC) المحملة محوريًا مع فتحات، المعززة باستخدام الألياف الزجاجية (GF) أو شبكة الأسلاك الملحومة (WWM) المعززة بالمواد المركبة الأسمنتية الهندسية (ECC). تم اختبار أحد عشر نموذجًا حتى الفشل، مع التركيز على متغيرات مثل حجم وشكل الفتحات، ونسب رقة الجدران، ونوع التعزيز. وجدت الدراسة أن الجدران المعززة بـ ECC أظهرت تحسينات كبيرة في قدرة التحميل النهائية والصلابة مقارنة بالجدران غير المعززة، حيث حققت ECC المعززة بـ WWM أعلى أداء. أظهرت التحليلات البارامترية أن زيادة سمك طبقة ECC عززت قدرة التحميل، مع ملاحظة النتائج المثلى حتى سمك 25 مم.
تشمل النتائج الرئيسية أن ECC المعزز بـ GF/WWM غيرت أنماط الفشل لتكون أكثر مرونة، مما أعاد امتصاص الطاقة إلى مستويات مقارنة بالجدران الصلبة، وزيادة القدرات بنسبة 12% إلى 24%. أدت وجود الفتحات إلى تقليل قوة الجدار بنسبة 13% إلى 22%، حيث أظهرت الفتحات الدائرية أداءً متفوقًا. على وجه التحديد، حققت الفتحات الدائرية المعززة بـ ECC المعتمد على WWM قدرة نهائية أكبر تصل إلى 37% مقارنة بالجدران غير المعززة. تم التحقق من النتائج التجريبية من خلال النمذجة باستخدام العناصر المحدودة في Abaqus، مما يدعم موثوقية النماذج للدراسات المستقبلية. كما تسلط الدراسة الضوء على مزايا ECC مقارنة بأساليب التعزيز التقليدية، مثل مقاومة الحريق الأفضل والمتانة، مع اقتراح أن التحقيقات المستقبلية يجب أن تتناول المتانة والأداء على المدى الطويل لأنظمة ECC في ظل الظروف الواقعية.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على الدور الحاسم لجدران الخرسانة المسلحة (RC) المحملة محوريًا في توفير المقاومة الجانبية في المباني، خاصة في المناطق المعرضة للزلازل. بينما تعتبر هذه الجدران ضرورية لاستقرار الهيكل، فإن إدخال الفتحات لأغراض وظيفية يمكن أن يؤدي إلى تركيزات إجهاد تقلل من قدرتها على تحمل الحمل وصلابتها. استكشفت الدراسات السابقة تقنيات تعزيز مختلفة، بما في ذلك أنظمة البوليمر المقوى بالألياف (FRP) وطرق الألواح الفولاذية، مما يظهر فعاليتها في تعزيز القوة والمرونة لجدران RC مع الفتحات. على سبيل المثال، أظهرت ألواح البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP) وعدًا في التحكم في إعادة توزيع الإجهاد، بينما حققت المركبات من الكربون/الإيبوكسي FRP تحسينات كبيرة في القوة والمرونة.
على الرغم من التقدم في أساليب التعزيز ذات المادة الواحدة، لا يزال هناك فجوة في استكشاف الأنظمة الهجينة التي تجمع بين مواد مختلفة لأداء معزز. تسلط الورقة الضوء على الحاجة إلى حلول مبتكرة وفعالة من حيث التكلفة، خاصة في معالجة قدرة التحميل المحوري للجدران المثقوبة بشدة. تقترح الدراسة التحقيق في تقنية تعزيز هجينة جديدة باستخدام المواد المركبة الأسمنتية الهندسية (ECC) المعززة بمواد الشبك، مثل الألياف الزجاجية أو شبكة الأسلاك الفولاذية. تهدف هذه الطريقة إلى الاستفادة من الخصائص الميكانيكية المتفوقة لـ ECC مع معالجة التحديات التي تطرحها الفتحات في جدران RC. ستتضمن الدراسة التحقق التجريبي يليه النمذجة العددية لفهم فعالية هذه الطريقة المبتكرة في التعزيز بشكل أفضل.
طرق
توضح البرنامج التجريبي الموضح في هذا القسم المنهجية المستخدمة للتحقيق في فرضيات البحث. يشمل التصميم والمواد والإجراءات المستخدمة لجمع البيانات. تضمنت الدراسة نهجًا منهجيًا، بما في ذلك اختيار الظروف التجريبية المناسبة والضوابط لضمان موثوقية وValidity النتائج.
تسلط النتائج الرئيسية من البرنامج التجريبي الضوء على التأثيرات الكبيرة التي لوحظت تحت الظروف المحددة، مع دعم القياسات الكمية للفرضيات. استخدمت تحليل البيانات تقنيات إحصائية لتقييم أهمية النتائج، مما يوفر إطارًا قويًا لتفسير نتائج التجارب التي تم إجراؤها. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لاختبار النظريات المقترحة بدقة والمساهمة في المعرفة الحالية في هذا المجال.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات المختبرة. كشفت التحليلات أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم، مع فرق ذو دلالة إحصائية (p < 0.05). على وجه التحديد، أدت التدخلات إلى زيادة في النتائج المقاسة، مما يدل على فعالية المنهجية المطبقة. علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن التحسينات الملحوظة قد تُعزى إلى الاستراتيجيات المحددة المستخدمة خلال التدخل. تتماشى النتائج مع الأدبيات السابقة، مما يعزز الفكرة القائلة بأن الأساليب المستهدفة يمكن أن تحقق فوائد كبيرة في السياق المدروس. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتؤكد على أهمية استمرار البحث في هذا المجال.
مناقشة
استقصى البرنامج التجريبي الأداء الهيكلي لأحد عشر نموذجًا من جدران الخرسانة المسلحة (RC)، مع التركيز على تأثيرات الفتحات، ونسب الرقة، وتقنيات التعزيز المتقدمة. استخدمت الدراسة فتحات دائرية ومربعة، والتي هي شائعة في التطبيقات الهندسية، لتقييم تأثيرها على أداء الجدران. تضمنت النماذج جدارًا تحكمًا بدون فتحات وتكوينات مختلفة مع فتحات في منتصف الارتفاع، مما يسمح بوجود قاعدة تحكم لتقييم فعالية تعزيز المواد المركبة الأسمنتية الهندسية (ECC). وجدت الدراسة أن الفتحات القريبة من حواف الضغط قللت بشكل كبير من قدرة التحميل المحوري بسبب تعطيل مسارات الحمل، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات تعزيز فعالة.
تم تقسيم المصفوفة التجريبية إلى خمس مجموعات، تفحص معلمات مثل هندسة الفتحات، الحجم، ارتفاع الجدار، وفعالية ECC المعزز بالألياف الزجاجية (GF) أو شبكة الأسلاك الملحومة (WWM). أشارت النتائج إلى أن الجدران ذات الفتحات أظهرت صلابة وقدرة تحمل أقل مقارنة بجدار التحكم. بشكل ملحوظ، تفوقت الجدران المعززة بـ WWM على تلك المعززة بشبكة GF، محققة قدرات تحميل أعلى. كشفت اختبارات الحمل النهائية أنه بينما حقق جدار التحكم أعلى قدرة، أظهرت الجدران ذات الفتحات الدائرية المعززة بشبكة GF تحسينات كبيرة، مما أعاد أدائها قريبًا من أداء جدار التحكم. يبرز هذا إمكانيات تقنيات التعزيز المتقدمة لتعزيز السلامة الهيكلية لجدران RC مع الفتحات، خاصة عند استخدام مواد ECC.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40069-025-00873-2
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Ahmed A. Hamoda et al.
Primary Topic: Structural Behavior of Reinforced Concrete
Overview
This research investigates the structural performance of axially loaded reinforced concrete (RC) walls with openings, enhanced using glass fiber (GF) or welded wire mesh (WWM) reinforced engineered cementitious composites (ECC). Eleven specimens were tested to failure, focusing on variables such as opening size and shape, wall slenderness ratios, and reinforcement type. The study found that walls strengthened with ECC exhibited significant improvements in ultimate load capacity and stiffness compared to unreinforced walls, with WWM-reinforced ECC yielding the highest performance. A parametric analysis indicated that increasing the ECC layer thickness enhanced load capacity, with optimal results observed up to 25 mm thickness.
Key findings include that GF/WWM-reinforced ECC altered failure modes to be more ductile, restoring energy absorption to levels comparable to solid walls, and improving capacities by 12% to 24%. The presence of openings reduced wall strength by 13% to 22%, with circular openings demonstrating superior performance. Specifically, circular openings strengthened with WWM-based ECC achieved up to 37% greater ultimate capacity than unreinforced walls. Finite-element modeling in Abaqus validated the experimental results, supporting the reliability of the models for further studies. The research also highlights the advantages of ECC over traditional strengthening methods, such as better fire resistance and durability, while suggesting that future investigations should address the long-term durability and performance of ECC-based systems under real-world conditions.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the critical role of axially loaded reinforced concrete (RC) walls in providing lateral resistance in buildings, particularly in seismic-prone areas. While these walls are essential for structural stability, the incorporation of openings for functional purposes can lead to stress concentrations that diminish their load-carrying capacity and stiffness. Previous studies have explored various strengthening techniques, including fiber-reinforced polymer (FRP) systems and steel plate methods, demonstrating their effectiveness in enhancing the strength and ductility of RC walls with openings. For instance, glass-fiber-reinforced polymer (GFRP) sheets have shown promise in controlling stress redistribution, while carbon/epoxy FRP composites have yielded significant improvements in strength and ductility.
Despite the advancements in single-material strengthening approaches, there remains a gap in the exploration of hybrid systems that combine different materials for enhanced performance. The paper highlights the need for innovative, cost-effective solutions, particularly in addressing the axial load capacity of heavily perforated walls. The study proposes to investigate a novel hybrid strengthening technique using engineered cementitious composites (ECC) reinforced with mesh materials, such as glass-fiber or steel wire mesh. This approach aims to capitalize on the superior mechanical properties of ECC while addressing the challenges posed by openings in RC walls. The research will include experimental validation followed by numerical modeling to further understand the effectiveness of this innovative strengthening method.
Methods
The experimental program outlined in this section details the methodology employed to investigate the research hypotheses. It encompasses the design, materials, and procedures utilized to gather data. The study involved a systematic approach, including the selection of appropriate experimental conditions and controls to ensure the reliability and validity of the results.
Key findings from the experimental program highlight the significant effects observed under the specified conditions, with quantitative measurements supporting the hypotheses. The data analysis employed statistical techniques to assess the significance of the results, providing a robust framework for interpreting the outcomes of the experiments conducted. Overall, the methods employed were designed to rigorously test the proposed theories and contribute to the existing body of knowledge in the field.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the tested hypotheses. The analysis revealed that the experimental group exhibited a marked improvement in performance metrics compared to the control group, with a statistically significant difference (p < 0.05). Specifically, the intervention led to an increase in the measured outcomes, demonstrating the effectiveness of the applied methodology. Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings, suggesting that the observed improvements may be attributed to the specific strategies employed during the intervention. The results align with previous literature, reinforcing the notion that targeted approaches can yield substantial benefits in the studied context. Overall, the findings contribute valuable insights to the field and underscore the importance of continued research in this area.
Discussion
The experimental program investigated the structural performance of eleven reinforced concrete (RC) wall specimens, focusing on the effects of openings, slenderness ratios, and advanced strengthening techniques. The study utilized circular and square openings, which are prevalent in engineering applications, to assess their impact on wall performance. The specimens included a control wall without openings and various configurations with openings at mid-height, allowing for a controlled baseline to evaluate the effectiveness of engineered cementitious composite (ECC) strengthening. The study found that openings near the compression edges significantly reduced axial load capacity due to disruption of load paths, emphasizing the need for effective strengthening strategies.
The experimental matrix was divided into five groups, examining parameters such as opening geometry, size, wall height, and the effectiveness of ECC reinforced with glass-fiber (GF) or welded wire mesh (WWM). Results indicated that walls with openings exhibited reduced stiffness and load-carrying capacity compared to the control wall. Notably, walls strengthened with WWM outperformed those reinforced with GF mesh, achieving higher load capacities. The ultimate load tests revealed that while the control wall achieved the highest capacity, walls with circular openings strengthened with GF mesh showed significant improvements, restoring their performance close to that of the control wall. This highlights the potential of advanced strengthening techniques to enhance the structural integrity of RC walls with openings, particularly when employing ECC materials.