Cuenca Asensio, E. (2012). ON SHEAR BEHAVIOR OF STRUCTURAL ELEMENTS MADE OF STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18326 / Palancia

This paper describes the 3-dimensional finite element modelling of composite connection with steel beams and precast hollow core slab. A finite element model to simulate the structural behaviour of the composite beam was described and was used to study the behaviour of a wide range of composite connections to gain a better understanding of the structural behaviour especially the moment¿rotation characteristic of the connections. Parametric studies were carried out to investigate the structural behaviour with variations in: size of the beam, thickness of the endplate, thickness of column web, depth of precast hollow cored slab and stud spacing. Through the parametric study, the structural behaviour of the composite connection has been discussed in detail, and recommendations for the design purpose has been made.

A maioria dos edifícios de concreto pré-moldado, construídos no Brasil e no exterior, é constituída por lajes alveolares. Este trabalho considera o estudo da continuidade dessas lajes. No cálculo desses elementos, a prática comum é considerá-los como simplesmente apoiados. Para melhorar o desempenho, é possível promover a continuidade nos apoios intermediários. Isso pode ser feito colocando armadura na região tracionada da ligação, no interior da capa, ou através de barras concretadas dentro dos alvéolos. O objetivo deste trabalho é investigar o comportamento de pavimentos formados por lajes alveolares com continuidade, com armadura na capa. Para isso, foi realizado um estudo envolvendo análise teórica e experimental em três modelos. Esses modelos, em escala real, foram submetidos a um carregamento transversal, distribuído de forma linear. Os estudos teóricos consideraram uma simulação numérica com elementos de viga e a fórmula de Branson para descrever o comportamento não linear físico do material. Além disso, foram avaliadas as expressões dos principais códigos nacionais e internacionais, no que diz respeito à ruptura por cisalhamento da seção transversal e da interface laje-capa. Os resultados da análise experimental indicaram que o modelo 1 rompeu por cisalhamento da seção transversal, com o mecanismo de tração diagonal do concreto. O modelo 2 apresentou ruptura por cisalhamento da interface. No modelo 3, a ruptura foi por flexão. O comportamento dos modelos ensaiados foi governado pela fissuração da capa na região de momento negativo. A análise teórica com elementos de barra representou de forma satisfatória o comportamento dos modelos ensaiados. As únicas formulações que apresentaram resultados coerentes com os três ensaios foram: EUROCODE 2:2004, para o cálculo da resistência ao cisalhamento da interface, e FIB MODEL CODE 2010, para o cálculo da resistência ao cisalhamento da seção transversal. Conclui-se que a continuidade melhora o desempenho das lajes alveolares, uma vez que reduz os deslocamentos no meio do vão e aumenta a capacidade de carga. / Most buildings of precast concrete built in Brazil and abroad consist of hollow core slabs. This paper considers the study of the continuity of these slabs. In design of these elements the common practice is to consider them as simply supported. To improve the performance it is possible to promote the continuity in the intermediate supports. This can be done by placing reinforcement in the tensioned region of the connection, inside the topping, or by bars concreted inside the voids. The aim of this work is to investigate the behavior of hollow core floors with continuity, with reinforcement in the topping. For this, a study involving theoretical and experimental analysis was conducted in three models. The full-scale models were subjected to a transverse loading distributed linearly. The theoretical studies have considered a numerical simulation with beam elements and the Branson formula to describe the physical nonlinear behavior of the material. Furthermore, the specifications of the major Brazilian and international codes were evaluated, with respect to failure by shear of the cross section and the slab-topping interface. The results of the experimental analysis indicated that the model 1 failed by shear of the cross section with the mechanism of diagonal tension of the concrete. Model 2 presented shear failure of the interface. In model 3, the failure was by flexure. The behavior of the tested models was ruled by cracking of the topping in region of negative bending moment. Theoretical analysis with beam elements represented satisfactorily the behavior of the tested models. The only formulations that presented consistent results with the three tests were: EUROCODE 2:2004, to calculate the shear strength of the interface, and FIB MODEL CODE 2010, for calculating of the shear strength of the cross section. It is concluded that the continuity improves the performance of the hollow core slabs, as it reduces the displacements at mid-span and increases the bearing capacity.

Ensaios não destrutivos são testes que não causam danos a estrutura ensaiada, o que os torna um excelente auxílio aos métodos de ensaios tradicionais quando estes apresentam alguma dificuldade de serem executados. Desta forma, este trabalho visa utilizar os ensaios de esclerometria e ultrassom, dando ênfase na transmissão indireta, para determinar a resistência à compressão nas primeiras idades do concreto e possibilitar um melhor controle tecnológico do material. Para se obter a relação entre os dados experimentais não destrutivos e a resistência à compressão, foram realizados ensaios em duas etapas. A primeira etapa foi desenvolvida em corpos de prova cilíndricos e prismáticos com três traços diferentes de concreto, onde foi variado o consumo de cimento. Na segunda etapa os ensaios foram realizados em uma laje alveolar produzida em laboratório. Com os dados coletados nos ensaios foi possível determinar a relação de crescimento da resistência, do índice esclerométrico e da velocidade do pulso ultrassônico ao longo do tempo, além das correlações velocidade x resistência, velocidade x índice esclerométrico; e a correlação múltipla entre os três fatores. Com base nisto, concluiu-se que é viável ter um bom controle tecnológico da resistência do concreto a partir dos ensaios não destrutivos. Este trabalho não obteve uma equação universal que correlacionasse os parâmetros para todos os tipos de traço de concreto, porém foram obtidas correlações satisfatórias para os traços ensaiados. Desta forma, é possível afirmar que o ensaio de ultrassom, especificamente posição indireta de 30 centímetros, e a esclerometria são ferramentas possíveis de serem aplicadas como auxílio à obtenção da resistência à compressão nas primeiras idades. / Non-destructive tests are tools that do not cause damage to the evaluated structure, which is an excellent support for traditional test methods. Therefore, this work used non-destructive tests such as rebound method and ultrasound, emphasizing the indirect transmission, to determine compression strength in the early age sand enable a better technological control of the material. Two-step tests were performed to see if there is a relationship between non-destructive test data and the compressive strength. The first one was performed in specimens with three different concrete compositions, where the cement ratio was varied, where as the second was carried out in a laboratory hollow core slab. With the experimental data was possible to determine the relationship of the compression strength, rebound number and ultrasonic pulse velocity over time; as the correlations strength x velocity, velocity x rebound number; and a multiple correlation between the three tests. Based on this, it was concluded that it is possible to have a good technological control of the concrete strength from non-destructive tests. A universal equation that correlates parameters for all types of concrete compositions was not found, but satisfactory correlations were obtained for the tested concretes. In this way, it is possible to affirm that the ultrasound test, specifically indirect position of 30 centimeters, and rebound method are possible tools to be applied as aid to obtain the compression strength in the early ages.

Ensaios não destrutivos são testes que não causam danos a estrutura ensaiada, o que os torna um excelente auxílio aos métodos de ensaios tradicionais quando estes apresentam alguma dificuldade de serem executados. Desta forma, este trabalho visa utilizar os ensaios de esclerometria e ultrassom, dando ênfase na transmissão indireta, para determinar a resistência à compressão nas primeiras idades do concreto e possibilitar um melhor controle tecnológico do material. Para se obter a relação entre os dados experimentais não destrutivos e a resistência à compressão, foram realizados ensaios em duas etapas. A primeira etapa foi desenvolvida em corpos de prova cilíndricos e prismáticos com três traços diferentes de concreto, onde foi variado o consumo de cimento. Na segunda etapa os ensaios foram realizados em uma laje alveolar produzida em laboratório. Com os dados coletados nos ensaios foi possível determinar a relação de crescimento da resistência, do índice esclerométrico e da velocidade do pulso ultrassônico ao longo do tempo, além das correlações velocidade x resistência, velocidade x índice esclerométrico; e a correlação múltipla entre os três fatores. Com base nisto, concluiu-se que é viável ter um bom controle tecnológico da resistência do concreto a partir dos ensaios não destrutivos. Este trabalho não obteve uma equação universal que correlacionasse os parâmetros para todos os tipos de traço de concreto, porém foram obtidas correlações satisfatórias para os traços ensaiados. Desta forma, é possível afirmar que o ensaio de ultrassom, especificamente posição indireta de 30 centímetros, e a esclerometria são ferramentas possíveis de serem aplicadas como auxílio à obtenção da resistência à compressão nas primeiras idades. / Non-destructive tests are tools that do not cause damage to the evaluated structure, which is an excellent support for traditional test methods. Therefore, this work used non-destructive tests such as rebound method and ultrasound, emphasizing the indirect transmission, to determine compression strength in the early age sand enable a better technological control of the material. Two-step tests were performed to see if there is a relationship between non-destructive test data and the compressive strength. The first one was performed in specimens with three different concrete compositions, where the cement ratio was varied, where as the second was carried out in a laboratory hollow core slab. With the experimental data was possible to determine the relationship of the compression strength, rebound number and ultrasonic pulse velocity over time; as the correlations strength x velocity, velocity x rebound number; and a multiple correlation between the three tests. Based on this, it was concluded that it is possible to have a good technological control of the concrete strength from non-destructive tests. A universal equation that correlates parameters for all types of concrete compositions was not found, but satisfactory correlations were obtained for the tested concretes. In this way, it is possible to affirm that the ultrasound test, specifically indirect position of 30 centimeters, and rebound method are possible tools to be applied as aid to obtain the compression strength in the early ages.

A maioria dos edifícios de concreto pré-moldado, construídos no Brasil e no exterior, é constituída por lajes alveolares. Este trabalho considera o estudo da continuidade dessas lajes. No cálculo desses elementos, a prática comum é considerá-los como simplesmente apoiados. Para melhorar o desempenho, é possível promover a continuidade nos apoios intermediários. Isso pode ser feito colocando armadura na região tracionada da ligação, no interior da capa, ou através de barras concretadas dentro dos alvéolos. O objetivo deste trabalho é investigar o comportamento de pavimentos formados por lajes alveolares com continuidade, com armadura na capa. Para isso, foi realizado um estudo envolvendo análise teórica e experimental em três modelos. Esses modelos, em escala real, foram submetidos a um carregamento transversal, distribuído de forma linear. Os estudos teóricos consideraram uma simulação numérica com elementos de viga e a fórmula de Branson para descrever o comportamento não linear físico do material. Além disso, foram avaliadas as expressões dos principais códigos nacionais e internacionais, no que diz respeito à ruptura por cisalhamento da seção transversal e da interface laje-capa. Os resultados da análise experimental indicaram que o modelo 1 rompeu por cisalhamento da seção transversal, com o mecanismo de tração diagonal do concreto. O modelo 2 apresentou ruptura por cisalhamento da interface. No modelo 3, a ruptura foi por flexão. O comportamento dos modelos ensaiados foi governado pela fissuração da capa na região de momento negativo. A análise teórica com elementos de barra representou de forma satisfatória o comportamento dos modelos ensaiados. As únicas formulações que apresentaram resultados coerentes com os três ensaios foram: EUROCODE 2:2004, para o cálculo da resistência ao cisalhamento da interface, e FIB MODEL CODE 2010, para o cálculo da resistência ao cisalhamento da seção transversal. Conclui-se que a continuidade melhora o desempenho das lajes alveolares, uma vez que reduz os deslocamentos no meio do vão e aumenta a capacidade de carga. / Most buildings of precast concrete built in Brazil and abroad consist of hollow core slabs. This paper considers the study of the continuity of these slabs. In design of these elements the common practice is to consider them as simply supported. To improve the performance it is possible to promote the continuity in the intermediate supports. This can be done by placing reinforcement in the tensioned region of the connection, inside the topping, or by bars concreted inside the voids. The aim of this work is to investigate the behavior of hollow core floors with continuity, with reinforcement in the topping. For this, a study involving theoretical and experimental analysis was conducted in three models. The full-scale models were subjected to a transverse loading distributed linearly. The theoretical studies have considered a numerical simulation with beam elements and the Branson formula to describe the physical nonlinear behavior of the material. Furthermore, the specifications of the major Brazilian and international codes were evaluated, with respect to failure by shear of the cross section and the slab-topping interface. The results of the experimental analysis indicated that the model 1 failed by shear of the cross section with the mechanism of diagonal tension of the concrete. Model 2 presented shear failure of the interface. In model 3, the failure was by flexure. The behavior of the tested models was ruled by cracking of the topping in region of negative bending moment. Theoretical analysis with beam elements represented satisfactorily the behavior of the tested models. The only formulations that presented consistent results with the three tests were: EUROCODE 2:2004, to calculate the shear strength of the interface, and FIB MODEL CODE 2010, for calculating of the shear strength of the cross section. It is concluded that the continuity improves the performance of the hollow core slabs, as it reduces the displacements at mid-span and increases the bearing capacity.

The most common prefabricated concrete slabs are hollow core slabs, which are usually pre-tensioned. How to design these parts is not compiled today in a manual where it is clear how this is done, this knowledge is generally classified as expert knowledge. The purpose was to bring forth how to design prefabricated pre-stressed hollow core slabs, HD/F, and then create a design aid that is compared by hand calculations with the PRE-Stress design program from StruSoft. Furthermore, to compare it with site-cast concrete slabs to see differences in the amount of material and the thickness of the structure under the same conditions.The design aid is not complete as some limitations had to be made. When it comes to results, the hand calculations in comparison with PRE-Stress have not resulted in identical answers but have proven to be on the safe side consistently through the design, which indicates that the design aid is fully functional. In the comparison with site-cast concrete slabs, it can be noted that prestressed hollow core slabs require less concrete volume, slimmer construction, and longer span widths but greater reinforcement volume. / Det vanligaste prefabricerade betongbjälklaget är håldäcksplattor som oftast är spännarmerade. Hur man dimensionerar dessa bärverksdelar finns idag inte samlat i en handbok där det står tydligt hur man gör, den kunskapen klassas generellt som expertiskunskap. Syftet var att ta fram hur man dimensionerar prefabricerade förspända håldäcksplattor, HD/F, och sedan skapa ett dimensioneringshjälpmedel som jämförs genom handberäkningar med PRE-Stress dimensioneringsprogram från StruSoft. Vidare genomfördes jämförande beräkningar för platsgjutet betongbjälklag för att se skillnader i materialmängd och konstruktionstjocklek under samma förutsättningar.Dimensioneringshjälpmedlet är inte komplett då vissa avgränsningar behövts göras. När det kommer till resultat har handberäkningar i jämförelse med PRE-Stress inte resulterat i identiska svar, men visat sig hamna på säkra sidan konsekvent genom dimensioneringen vilket tyder på att dimensioneringshjälpmedlet är fullt användbart. I jämförelsen med platsgjutet bjälklag kan man konstatera att förspända håldäcksplattor ger mindre betongvolym, slankare konstruktion och längre spännvidder men större armeringsmängd.

Det byggs mer och mer med prefabricerade håldäcksbjälklag vilka har stora dimensionerings och produktionsfördelar. Långa spännvidder och lätta bjälklag gör denna typ av konstruktion känslig för vibrationer och därför ställs konstruktörer idag inför en problematik som inte tidigare vanligtvis varit en dimensionerande faktor. Som en naturlig följd av detta är kunskapen inom området begränsad och förståelsen för denna typ av konstruktion vid dynamiska problem eftersatt. Hur håldäcksbjälklag beter sig vid små dynamiska laster, från mänsklig aktivitet på bjälklaget, och hur denna typ av problematik ska hanteras beräkningsmässigt behöver studeras. Vid statiska beräkningar antas bjälklaget vara enkelspänt men vid dynamiska beräkningar kan bland annat inte detta antagande göras då effekten från elementens sammankopplingar och eventuella pågjutningar påverkar bjälklagets styvheter och därmed dess dynamiska beteende. Dynamikproblem kan inte behandlas genom att studera enskilda element då bjälkaget måste hanteras som en sammanhängande enhet där kringliggande struktur påverkar hela bjälklagets dynamiska beteende. I detta arbete har fältmätningar i en befintlig byggnad, med excitering av en mänsklig analyser för att studera hur bjälklaget kan hanteras och dynamiska responsberäkningar. Fältmätningar har genomförts på tre olika bjälklagstyper där accelerationer har studerats i en mängd olika punkter. Accelerationer i fältmitt, intill upplagsväggar, parallella väggar och balkar har studerats för att leda till slutsatser kring hur bjälklagets styvheter påverkar dess dynamiska beteende. Dessa slutsatser kring uppmätta accelerationer har sedan legat till grund modeller kan representera verkligheten på ett godtagbart sätt beträffande dynamiska problem. Finita element-beräkningar för de tre olika bjälklagen har genomförts med varierande resultat, där det kunnat konstateras att komplicerade bjälklagsgeometrier med inslag av pelare, balkar och flera fack håldäckselement är svårt att beräkningsmässigt representera på ett bra sätt. Däremot har det visat sig att enkla bjälklagsgeometrier med endast ett fack håldäckselement upplagt på betongväggar kan representeras relativt väl. Parallella väggar har kunnat konstateras fungera som upplag med accelerationer av samma storleksordning som intill upplagsväggar. Dessutom har det visat sig genom mätningar och beräkningar att en pågjutning rimligen kan antas ha en uppstyvande effekt för bjälklaget. Däremot hur stor denna uppstyvande effekt är har inte kunnat konstateras, då detta skulle kräva andra typer av mätningar.

I dagens samhälle ligger fokus på hållbarhet vilket ställer höga krav på konstruktören vid utformningav stommen till flerbostadshus. En stor del av CO2-utsläppen inom byggprocessen kan härledas tillmaterialvalet där förbränning av kalk inom cementindustrin och framställning av stål ur järnmalm ärbland de främsta faktorerna till utsläppen. Denna rapport ämnar sig åt att ta fram vilka skillnader och likheter som ställs mellan två stomsystemmed olika bjälklag; ett utförande i korslimmat trä, hädanefter benämnt KL-trä, och ett utförande ihåldäcksbjälklag. De båda objekten har givits identiska förutsättningar, med reservation förbjälklagsmaterial, med en stomme i stål med varierande tvärsnittsprofiler. Data för CO2-ekvivalenter och pris av respektive stommaterial har undersökts och sammanställts itabellform där de två byggnaderna utvärderas och där resultatet diskuteras i analysdelen. Resultatetger svar på vilket element som presterar bäst till en kontorsbyggnad med två våningar med hänsyn tillkostnad och CO2-ekvivalenter för enskilda profiler sammanställts för de två byggnaderna. Dimensionering av balkar har genomförts med avseende på momentkapacitet, pelare med avseende påknäckning av centrisk tryckkraft, plan böjknäckning med moment av vindlast och normalkraft motpelare. Till visualisering av stommen har Tekla Structures använts och för verifiering avlastnedräkningar har FEM-Design 20 nyttjats. Rapportens ekonomidel avser kostnader av de två byggnaderna, vilka redovisats i tabellform medkostnad per stål- och bjälklagsprofil. Klumpsumma för respektive fall har sammanställts och idiskussionsdelen till denna rapport ges förklaringar och slutsatser. / In society today, the focus is on sustainability, which places high demands on the designer when designing the structural frame for apartment buildings. A large part of the CO2 emissions in the construction process can be traced to the choice of material, where the combustion of lime in the cement industry and the production of steel from iron ore are among the main factors for the emissions. This report intends to provide answers to the differences and similarities between two frame systems with different floors slabs; a version in cross-laminated wood, hereinafter referred to as KL-trä (CLTwood), and a version in hollow core slabs. The two objects have been given identical conditions, with a reservation for flooring material, with a steel frame with varying cross-sectional profiles. Data for CO2 equivalents and price of each frame material have been examined and compiled in tabular form where the two buildings are evaluated and results are discussed in the analysis part. The result provides an answer as to which element performs best for an office building with two floors with regard to cost and CO2 equivalents for individual profiles compiled for the two buildings. Dimensioning of beams has been carried out with regard to bending moment capacity, columns with respect to buckling of concentric pressure force and flat bending buckling with elements of wind load and normal force against columns. Tekla Structures has been used to visualize the frame and FEM-Design20 has been used to verify load counts. The financial part of the report refers to costs of the two buildings, which are reported in tabular form with cost per steel and floor profile. The lump sum for each case has been compiled and in the discussion section of this report explanations and conclusions are given to the financial part.

Este trabalho apresenta dois tipos de ensaios não destrutivos para a correlação do módulo dinâmico com a resistência à compressão para elementos de concreto. Os métodos de ensaio são a ultrassonografia e o método de excitação por impulso utilizando o equipamento Sonelastic®. Neste trabalho estão descritos seus funcionamentos, aplicações e limitações. A ultrassonografia, através da propagação de ondas sonoras, fornece, indiretamente, o módulo de elasticidade dinâmico. Com o método de excitação por impulso obtêm-se as frequências naturais e os modos de vibração do elemento estudado, o que permite determinar seu módulo dinâmico. Primeiramente, estes ensaios foram utilizados em corpos-de-prova cilíndricos e lajes alveolares produzidas em laboratório para a obtenção das curvas de correlação e, em seguida, estes mesmos ensaios foram realizados na fábrica de concreto pré-moldado. Para elementos de geometria complexa, como é o caso das lajes alveolares, apresenta-se uma metodologia para a obtenção de uma equação analítica para o cálculo do módulo dinâmico no ensaio de excitação por impulso. Estes métodos tiveram o objetivo final de avaliar a resistência à compressão do concreto na pista de protensão da fábrica, e então determinar o melhor momento para a desforma e corte do cabo de protensão. Com ambos os métodos, obteve-se ótimas correlações do módulo dinâmico com a resistência à compressão dos elementos em laboratório. Na fábrica de concreto pré-moldado não foi possível obter uma curva de correlação representativa de toda a laje na pista de protensão, porém foi possível registrar um bom indicativo de que é possível obter boas correlações para futuras pesquisas no assunto / This work presents two types of non-destructive testing for the correlation of the dynamic elastic modulus with the compressive strength. The test methods are the ultrasonography and the impulse excitation using the Sonelastic® equipment. In this work the equipaments operations, applications and limitations are also described. The ultrasound test indirectly supplies the dynamic elastic modulus through the propagation of sound waves. The natural frequencies and the vibration modes of the studied elements are obtained through impulse excitation method allowing to determine its dynamic modulus. To start, these tests were used in cylindrical specimens and hollow core slabs produced in the laboratory to obtain the correlation curves, and then these same methods were performed in the pre-cast concrete plant. As for complex geometric elements, as in the case of hollow core slabs, a methodology is applied in order to obtain an analytic equation to calculate the dynamic modulus in the impulse excitation test. These methods had the final goal the evaluation of the strength of prestressed concrete lying on track of the plant, so as to determine the best moment to demold and cut the prestressed cable. Excellent correlations of the dynamic modulus with compressive strength of the elements made in laboratory were obtained using both methods. It was not possible to obtain in the precast concrete plant a representative correlation curve of the whole slab on the track, nevertheless, it was possible to record a good indication that it is possible to obtain good correlations for future research.