Nonlinear finite element analysis of punching shear of reinforced concrete slab-column connections

Abstract

The code provisions for the design of reinforced concrete slabs are based on empirical and mostly statistical formulations derived from the tests. The available testing database consists of different types of slabs and in some cases it is limited due to the extensive cost and time that a punching shear test requires. Thus, there is a need for verification of the actual code provisions and this can be done in part by using finite element (FE) simulations. The finite element analyses (FEA) can supplement the existing testing background and can be used for parametric investigation, since they can indicate different aspects on punching shear failure, leading to possible recommendations for the design codes and models. In this thesis, 3D FEA of reinforced concrete slabs with the FE software ABAQUS using the concrete damaged plasticity model are presented. The appropriate calibration of the concrete model, is done in this study based on an interior slab-column connection without shear reinforcement (SB1), considered as the control specimen, which was tested under vertical loading in a previous study. The predictive capability of the calibrated model was demonstrated by simulating and analyzing different types of slabs without shear reinforcement. Interior specimens under static and reversed cyclic loadings and edge slabs under static and horizontal loadings are examined. The predicted capability of the calibrated model is then examined by simulating slab-column connections with shear reinforcement. Four different modelling approaches for the shear bolts are presented. Discussion and comparison between the design codes are also presented. A parametric study based on the different shear reinforcement patterns that ACI code (rectangular) and EC2 (radial) propose is conducted. This study also involves the investigation of the effect of openings on the punching shear behaviour of the reinforced concrete slabs without shear reinforcement. The effect of the location, the distance from the column and the size of the opening on the punching shear resistance, are investigated. The results, confirm that the punching shear resistance is decreased with an increase in the opening size and with a decrease in the opening distance from the column. Finally, the compressive membrane action effect on reinforced concrete slabs is examined. FEA are performed considering an isolated interior flat slab (SB1) as continuous. The predictive capability of the FEA models enhance their effectiveness for further investigation on the effect of membrane action by supplementing the limited testing background in this area.

Όλοι οι κανονισμοί σχεδιασμού οπλισμένων πλακών οπλισμένου σκυροδέματος για έλεγχο έναντι διάτρησης βασίζονται σε εμπειρικές διατυπώσεις μετά από την ανάλυση πειραματικών αποτελεσμάτων. Ωστόσο, τα πειραματικά δεδομένα που είναι διαθέσιμα βασίζονται σε διαφορετικές μορφολογίες συνδέσεων και σε πολλές περιπτώσεις μπορούν να θεωρηθούν μη ικανοποιητικά στον αριθμό λόγω του κόστους εκτέλεσης των πειραμάτων. Συμπερασματικά, οι κανονισμοί πρέπει να εξεταστούν με σκοπό την πιθανή τους βελτίωση, και αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση των πεπερασμένων στοιχείων. Αναλύσεις πλακών οπλισμένου σκυροδέματος με τη χρήση πεπερασμένων στοιχείων μπορούν να παρέχουν επιπλέον δεδομένα σε συσχέτιση με τα υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα. Οι αναλύσεις αυτές μπορούν να ερευνήσουν παραμετρικά διαφορετικά είδη πλακών και να προσφέρουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη διατρητική συμπεριφορά των πλακών. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, χρησιμοποιείται το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS και όλες οι αναλύσεις λαμβάνουν υπόψη τη μοντελοποίηση πλακών σε τρεις διαστάσεις και το σκυρόδεμα προσομοιώνεται με το ελαστοπλαστικό μοντέλο Concrete Damaged Plasticity το οποίο λαμβάνει υπόψη τις βλάβες του υλικού. Η εργασία εξηγεί τη σωστή επιλογή των παραμέτρων του υλικού που πρέπει να ληφθούν ώστε τα αποτελέσματα της ανάλυσης να προσεγγίζουν τα πειραματικά. Τα αναλυτικά αποτελέσματα συγκρίνονται με τα πειραματικά αποτελέσματα με την παρουσίαση της καμπύλης κατακόρυφου φορτίου-παραμόρφωσης καθώς και της ρηγμάτωσης. Στην εργασία χρησιμοποιείται μια εσωτερική σύνδεση πλάκας-υποστυλώματος ως το δοκίμιο αναφοράς ώστε να γίνει το καλιμπράρισμα του μοντέλου. Κατόπιν, το συγκεκριμένο μοντέλο χρησιμοποιείται για την ανάλυση και άλλων πλακών χωρίς και με οπλισμό έναντι διάτρησης. Οι αναλύσεις αφορούν πλάκες οπλισμένου σκυροδέματος που εξετάστηκαν πειραματικά και κατόπιν αναλυτικά υπό στατική φόρτιση. Κατόπιν, το ίδιο μοντέλο χρησιμοποιείται για την εξέταση ακριανών συνδέσεων όπου η φόρτιση είναι ανακυκλιζόμενη. Στην περίπτωση πλακών με οπλισμό διάτμησης - μεταλλικά καρφιά (shear bolts) οι αναλύσεις εξέτασαν τέσσερις διαφορετικές τεχνικές προσομοίωσης χρησιμοποιώντας στοιχεία ράβδων (truss elements). Όλα τα πειραματικά και αναλυτικά αποτελέσματα συγκρίνονται με τους ισχύοντες σχεδιαστικούς κανονισμούς (Αμερικάνικο ACI 318, Καναδικό CSA και τον Ευρωκώδικα EC2). Κατόπιν, ακολούθησαν παραμετρικές αναλύσεις σχετικά: α) με τον τρόπο τοποθέτησης του ολπισμού διάτρησης περιμετρικά του υποστυλώματος, β) την μείωση της αντοχής σε διάτρηση όλων των διαφορετικών συνδέσεων όταν θεωρηθούν ανοίγματα στην πλάκα και γ) την αύξηση της αντοχής των πλακών έναντι διάτρησης όταν χρησιμοποιηθούν διαφορετικές συνοριακές συνθήκες και διαστάσεις τόσο κατά την πειραματική όσο και αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς των πλακών. Οι αναλύσεις σχετικά με τη διαφορετική τοποθέτηση των οπλισμών ανέδειξαν ότι η ακτινωτή τοποθέτηση με βάσει τον Ευρωκώδικα 2 οδηγεί σε αύξηση της αντοχής των συνδέσεων σε σχέση με τη τετραγωνική τοποθέτηση των οπλισμών που προτείνουν ο Αμερικάνικος (ACI 318) και ο Καναδικός (CSA) κανονισμός. Στην περίπτωση των ανοιγμάτων θεωρήθηκαν ανοίγματα με διαφορετικές διαστάσεις και τοποθετημένα σε διαφορετικές αποστάσεις από το υποστύλωμα. Οι αναλύσεις ανέδειξαν τη συντηρητική αλλά ασφαλή πρόβλεψη των κανονισμών. Με βάση τα αποτελέσματα όλων των αναλύσεων συμπεραίνουμε ότι το μοντέλο σκυροδέματος με τη χρήση των πεπερασμένων στοιχείων μπορούν να δώσουν ασφαλή αποτελέσματα για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς των πλακών οπλισμένου σκυροδέματος χωρίς δοκούς.