Numerical Investigation of Reinforced Concrete Deep Beams with Web Openings Strengthened Using UHPC and CFRP

Abstract

Reinforced concrete deep beams are widely used in structural applications where loads are transferred over short spans, such as transfer girders, pile caps, and other heavily loaded members. Unlike slender beams, deep beams resist loads primarily through a diagonal compression strut, which governs their overall structural behavior. In practical applications, web openings are often introduced to accommodate mechanical and electrical services. However, such openings disturb the natural load transfer path, leading to stress concentration, earlier cracking, lower stiffness, and a significant reduction in ultimate load capacity. This makes the evaluation of strengthening techniques essential for improving the performance of deep beams with openings. This study investigates the behavior of reinforced concrete deep beams with and without web openings using nonlinear finite element analysis in ABAQUS. The numerical model was first validated against available experimental results in terms of load–displacement response, ultimate load, and failure mode. After achieving acceptable agreement, the validated model was used to conduct a detailed parametric study. The investigated parameters included opening size, opening location, strengthening technique, transverse reinforcement ratio, concrete compressive strength, and reinforcement yield strength. In addition, the effectiveness of ultra-high-performance concrete (UHPC) and carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) was assessed as strengthening methods for beams weakened by openings. The results showed that the introduction of web openings caused a substantial reduction in the ultimate load capacity, ranging from 62.42% to 65.69% compared with the solid reference beam, depending on the size and location of the opening. Beams with openings located near the edge of the shear span performed better than those with openings at the center of the shear span, while larger openings resulted in more severe reductions in strength. The strengthening results indicated that UHPC was the most effective technique, increasing the ultimate load capacity by approximately 24.34% to 32.61%, whereas CFRP provided more moderate improvements ranging from about 11.9% to 15.35%. The parametric study further showed that concrete compressive strength had the greatest influence on beam response, followed by the transverse reinforcement ratio, while the effect of reinforcement yield strength was comparatively limited. Overall, the study confirms that the structural behavior of reinforced concrete deep beams is governed mainly by the integrity of the diagonal compression strut. Therefore, any parameter or strengthening technique that enhances or restores this load-transfer mechanism has the greatest impact on structural performance. The findings of this study provide a clearer understanding of the behavior of deep beams with openings and offer useful guidance for their analysis, strengthening, and design using advanced materials such as UHPC and CFRP تُعدّ الكمرات العميقة الخرسانية المسلحة من العناصر الإنشائية المهمة التي تُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تنتقل فيها الأحمال عبر بحور قصيرة، مثل الجوائز الناقلة، وقواعد الخوازيق، وغيرها من العناصر المعرضة لأحمال كبيرة. وعلى خلاف الكمرات النحيفة، فإن الكمرات العميقة تقاوم الأحمال بصورة رئيسية من خلال دعامة ضغط قطرية تتحكم في سلوكها الإنشائي العام. وفي التطبيقات العملية، غالبًا ما يتم عمل فتحات في جسم الكمرة لتمرير الخدمات الميكانيكية والكهربائية. إلا أن هذه الفتحات تؤدي إلى إعاقة مسار انتقال الحمل الطبيعي داخل الكمرة، مما ينتج عنه تركّز في الإجهادات، وظهور مبكر للتشققات، وانخفاض في الصلابة، وتراجع ملحوظ في الحمولة القصوى. لذلك، يصبح تقييم تقنيات التقوية أمرًا ضروريًا لتحسين أداء الكمرات العميقة المحتوية على فتحات. تتناول هذه الدراسة سلوك الكمرات العميقة الخرسانية المسلحة بوجود الفتحات وبدونها باستخدام التحليل العددي غير الخطي من خلال برنامج ABAQUS. وقد تم أولًا التحقق من صحة النموذج العددي من خلال مقارنته بالنتائج العملية المتاحة من حيث منحنيات الحمل–الإزاحة، والحمولة القصوى، ونمط الفشل. وبعد الوصول إلى توافق مقبول، استُخدم النموذج المعتمد لإجراء دراسة بارامترية تفصيلية. وشملت المتغيرات المدروسة حجم الفتحة، وموقعها، ونوع التقوية، ونسبة التسليح العرضي، ومقاومة الخرسانة للضغط، وإجهاد خضوع حديد التسليح. كما تم تقييم فعالية كلٍّ من الخرسانة فائقة الأداء (UHPC) والبوليمرات المسلحة بألياف الكربون (CFRP) كوسيلتين لتقوية الكمرات المتأثرة بوجود الفتحات. أظهرت النتائج أن وجود الفتحات أدى إلى انخفاض كبير في الحمولة القصوى، حيث تراوحت نسبة الانخفاض بين 62.42% و65.69% مقارنة بالكمرة المرجعية المصمتة، وذلك تبعًا لحجم الفتحة وموقعها. كما تبيّن أن الكمرات التي تقع فتحاتها بالقرب من حافة بحر القص أظهرت أداءً أفضل من تلك التي تقع فتحاتها في مركز بحر القص، في حين أدت الفتحات الأكبر إلى انخفاض أشد في المقاومة. وأوضحت نتائج التقوية أن استخدام UHPC كان الأكثر فاعلية، إذ أدى إلى زيادة في الحمولة القصوى تراوحت بين 24.34% و32.61%، بينما حقق CFRP تحسينات أكثر اعتدالًا تراوحت بين 11.9% و15.35%. كذلك أظهرت الدراسة البارامترية أن مقاومة الخرسانة للضغط كانت العامل الأكثر تأثيرًا في استجابة الكمرة، تلتها نسبة التسليح العرضي، في حين كان تأثير إجهاد خضوع حديد التسليح محدودًا نسبيًا. وبوجه عام، تؤكد هذه الدراسة أن السلوك الإنشائي للكمرات العميقة الخرسانية المسلحة تحكمه بصورة رئيسية سلامة دعامة الضغط القطرية. وعليه، فإن أي متغير أو أسلوب تقوية يسهم في تحسين أو استعادة آلية انتقال الحمل هذه سيكون له الأثر الأكبر في الأداء الإنشائي. وتوفر نتائج هذه الدراسة فهمًا أوضح لسلوك الكمرات العميقة ذات الفتحات، كما تقدم دلالات مفيدة لتحليلها وتقويتها وتصميمها باستخدام مواد متقدمة مثل UHPC و CFRP