Shear transfer mechanism in steel-concrete composite slabs and columns

Abstract

(English) Composite structures are frequently used in the construction of high-rise buildings due to their high ductility and strength. This article-based doctoral thesis has multiple objectives related to different research projects in the field of composite slabs and columns. In particular, the thesis focuses on the typical failure mode of composite structures: the shear connection failure between the two materials. The research methodology consists of experimental and Finite Element Analyses (FEA). For the first part of the thesis, related to composite slabs, the following experimental test results have been analyzed: - Uniform load tests using a vacuum chamber on open-rib composite slabs. - Four-point bending test on open-rib composite slabs. - Four-point bending test on re-entrant composite slab tests (external resources). The finite element analysis has been performed using ANSYS Mechanical/APDL software, taking into account the concrete failure, the steel plasticity, and the complex geometrical interaction between the concrete and steel. It has been found that the 4-point bending arrangement gives a higher longitudinal shear resistance (unsafe) than the uniform load bending case. It is caused by the clamping forces accumulated under the load and at the support in the 4-point bending arrangement. The materials’ yielding assumed by the Partial Connection Method (PCM) in the Eurocode-4 has been accomplished in the re-entrant slabs but not in open-rib ones. The cause of this difference is the complete vertical detachment between the concrete and steel that occurs in open-rib slabs. For the second part of the thesis, related to composite columns, 56 push-out shear tests have been carried out on CFST columns to study the influence of the following parameters: the connection systems FLAT and UPCCFST (new patented system), the punch density, the concrete grade, the punches arrangement, and cross-section dimensions. It has been found that the new shear transfer system (application of EP2305911B1 patent UPC) has improved the shear bond strength of CFST columns by up to 12 times compared with FLAT conventional CFSTs. This improvement is due to the crownshaped protrusions created by the throughout-punching of the steel tube walls, which leads to new failure modes consisting of concrete crushing/eroding and steel yielding.

(Català) Les estructures mixtes s'utilitzen amb freqüència en la construcció d'edificis de gran alçada a causa de la seva alta ductilitat i resistència. Aquesta tesi doctoral basada en articles té múltiples objectius relacionats amb diferents projectes de recerca dins el camp de les lloses i columnes mixtes. En particular, es focalitza en un tipus de fallada propi de les estructures mixtes: el cisallament de la connexió entre els dos materials. La metodologia de recerca consisteix en anàlisis experimentals i d'elements finits (FEA). Per a la primera part de la tesi, relacionada amb les lloses mixtes, s'han analitzat els resultats de les proves experimentals següents: - Assaigs amb càrrega uniforme mitjançant cambra de buit en lloses amb xapa de perfil obert. - Assaigs de flexió de 4 punts en lloses amb xapa de perfil obert - Assajos de flexió de 4 punts en lloses mixtes amb xapa de perfil reentrant (fonts externes). L'anàlisi amb elements finits s'ha realitzat mitjançant el programari ANSYS Mechanical/APDL, tenint en compte la fallada del formigó, la plasticitat de l'acer i la complexa interacció geomètrica entre el formigó i l'acer. S'ha conclòs que la disposició de flexió de 4 punts dona una major resistència al lliscament longitudinal (insegur) comparat amb la flexió amb càrrega uniforme. La causa són les forces de contacte (clamping) acumulades sota la càrrega i sobre els suports en la disposició de flexió de 4 punts. La plastificació dels materials assumida pel Mètode de Connexió Parcial (PCM) en l'Eurocode-4 es compleix en les lloses de perfil reentrant, però no en les de perfil obert. La causa és la desconnexió vertical total entre el formigó i l’acer que es produeix només en les lloses de perfil obert. Per a la segona part de la tesi, relacionada amb les columnes mixtes, s'han realitzat 56 assaigs de cisallament push-out en columnes CFST per tal d'estudiar la influència dels següents paràmetres: sistemes de connexió FLAT i UPCCFST (nou sistema patentat), densitat de perforació, resistència del formigó, distribució de perforacions i dimensions de la secció transversal. S'ha comprovat que el nou sistema de transferència de cisallament (aplicació de la patent EP2305911B1 UPC) ha millorat fins a 12 vegades la resistència a cisallament de les columnes CFST en comparació amb els CFST convencionals plans. Aquesta millora es deu a les protuberàncies en forma de corona creades pel punxonat del tub d'acer, que condueixen a nous modes de fallada consistents en la ruptura/erosió del formigó i la plastificació d'acer.