Analytical and experimental investigation of composite structures for static and seismic loads

Abstract

In recent decades, a strong demand for efficient and economical structural elements is being observed. This demand led to an increase in the use of factory prefabricated elements, such as, e.g., concrete hollow core elements for slabs and composite steel beams and columns, which can be assembled on site. The use of standardized prefabricated elements concealed a higher quality standard associated with lower cost followed by a high degree of flexibility because of a wide range of possible combinations. The necessity for reduction of the floor height for high-rise buildings, namely, a reduction of the height between floors, without reducing the usable space, was anticipated in order to increase the total number of storeys for a given overall building height. Thus, parallel with prefabricated construction, a “new” more advanced structural system was born; the shallow floor system.In the shallow floor system, the steel beam is placed within the thickness of the pre-cast concrete floor or the composite slab with profiled steel decks. This form of construction leads to a reduced clear building height and is, at the same time, beneficial for the building services that may run in any direction. In this system, also called slim or shallow floor, the decking elements are not supported on the upper flange of the steel member, as in traditional steel-concrete composite construction, but on the bottom plate. Thus, in the finished construction the steel members are fully or partially encased in the concrete slab. The relatively small amount of research work related to shallow floor beams subjected to extreme loads, such as earthquakes or column loss scenarios, together with the lack of any relevant design guidance in the Eurocodes, as well as the numerous possibilities and combinations of steel sections and shapes that can be used, indicates the need to investigate this topic more extensively. Existing research in the literature is solely related to the investigation of the flexural behavior of composite beams with asymmetric double-T steel profiles, while the imposed load/displacement test sequences correspond to normal loading conditions. However, there is a need to examine the robustness of shallow-floor composite beams with hollow steel cross-sections under extreme loading conditions, shedding light to important factors, such as the shear connection between steel and concrete parts or the degree of confinement of the steel cross-section in cases of encased concrete. This dissertation elaborates on experimental investigations on shallow floor beams, called Deltabeams, carried out at the Institute of Steel Structures of the National Technical University of Athens (NTUA). Deltabeam is a slim-floor composite beam which took its name by the Δ-shape of the hollow section steel beam, which is fully integrated into the concrete floor. The composite beam behaves as a steel beam at construction stages before the infilling concrete has reached the design strength. After the erection of the decking units on the outward ledges of the bottom plate, the beam is completely filled with concrete in situ through regularly spaced web openings, forming a composite element at service stage after concrete hardening. Furthermore, three-dimensional (3D) Finite element models were created and calibrated with the experimental results. The good correlation of the numerical predictions with the experimental results gives an excellent opportunity to shed more light by further numerical analyses on the issues that could not be measured or indicated in the tests carried out and, thus, assist to a better understanding of the overall behavior of these beams. Finally, Deltabeams were successfully used as simply supported beams for the seismic design of an office building. Comparison of the results with a second model made by conventional monolithic concrete frames revealed the beneficial effect of the shallow floor construction, since, because of the lower height of Deltabeams, there was space for more storeys for the same overall building height.

Η χρήση και η ανάπτυξη του δομικού χάλυβα ως δομικό υλικό είχαν τεράστια επιρροή στην εξέλιξη των βιομηχανοποιημένων κοινωνιών καθώς και στη δημιουργία του σύγχρονου τρόπου ζωής όπως τον βιώνουμε σήμερα. Οι σιδηρόδρομοι, οι γέφυρες, τα μεγάλα παραγωγικά εργοστάσια και τα κτήρια, δε θα είχαν ποτέ τη σημερινή μορφή τους χωρίς το δομικό χάλυβα. Τις τελευταίες δεκαετίες, κυρίως λόγω της παγκόσμιας οικονομικής κρίσης και των περιορισμών που απαιτούνται από του Κανονισμούς, αυξήθηκε η ζήτηση για πιο αποτελεσματικές και οικονομικές μεθόδους κατασκευής. Το γεγονός αυτό οδήγησε στη χρήση εργοστασιακά προκατασκευασμένων δομικών στοιχείων, τα οποία συναρμολογούνται στο εργοτάξιο. Η χρήση τυποποιημένων προκατασκευασμένων δομικών στοιχείων εξασφάλιζε ένα υψηλό επίπεδο ποιότητας με χαμηλό κόστος, συνακολουθούμενα από ένα μεγάλο βαθμό ευελιξίας λόγω του ευρέος φάσματος πιθανών συνδυασμών. Ως αποτέλεσμα της επιβολής της μείωσης του ύψους των κτηρίων από τις αρχές, ένα τμήμα της κατασκευαστικής βιομηχανίας στόχευσε στη μείωση του ύψους μεταξύ των ορόφων, χωρίς τη μείωση του ωφέλιμου χώρου, με σκοπό την αύξηση του αριθμού των ορόφων, ως πλεονέκτημα έναντι των ανταγωνιστών τους. Έτσι, παράλληλα με την εμφάνιση της προκατασκευής ένα νέο προηγμένο δομικό σύστημα «γεννήθηκε». Το σύστημα αυτό αποτελείται από λεπτές σύμμεικτες κρυφοδοκούς οι οποίες στηρίζουν λεπτές πλάκες από σκυρόδεμα.Στο εν λόγω δομικό σύστημα, η μεταλλική δοκός τοποθετείται εντός του πάχους της πλάκας σκυροδέματος. Οι πλάκες σκυροδέματος δεν στηρίζονται στο άνω πέλμα της μεταλλικής δοκού, όπως στην παραδοσιακή σύμμικτη κατασκευή χάλυβα-σκυροδέματος, αλλά στο κάτω πέλμα. Έτσι, στην τελική κατασκευή τα μεταλλικά στοιχεία είναι πλήρως ή μερικώς εγκιβωτισμένα στην πλάκα σκυροδέματος.Οι δοκοί Deltabeams είναι λεπτές σύμμεικτες δοκοί πλήρως εγκιβωτισμένες στην πλάκα και πήραν το όνομά τους από το σχήμα της διατομής τους. Η δυστρεψία τους είναι αρκετά υψηλή ώστε να επιτρέπει την τοποθέτηση βαρέων στοιχείων στις προεξοχές της μεταλλικής πλάκας του κάτω πέλματος χωρίς επιπλέον στήριξη. Είναι σχεδιασμένες να χρησιμοποιούνται ως δομικά στοιχεία και μπορούν να συνδυαστούν με όλους τους γενικούς τύπους πλακών σκυροδέματος. Οι δοκοί Deltabeams συμπεριφέρονται ως αμιγώς μεταλλικές πριν το σκυρόδεμα αποκτήσει την απαιτούμενη αντοχή. Κατά τη διάρκεια της σκυροδέτησης των πλακών, οι δοκοί πληρώνονται με σκυρόδεμα μέσω τακτών ανοιγμάτων στις μεταλλικές πλάκες του κορμού, σχηματίζοντας έτσι μία σύμμεικτη διατομή μετά τη σκλήρυνση του σκυροδέματος. Η αντοχή της σύμμεικτης διατομής έναντι διάτμησης είναι μεγαλύτερη της αντίστοιχης αντοχής της μεταλλικής δοκού πριν τη σκυροδέτηση, λόγω της συνεισφοράς του σκυροδέματος. Πολλαπλά πειράματα έχουν αποδείξει ότι η δοκός Deltabeam έχει υψηλή πυραντοχή, η οποία εξαρτάται από το πάχος της μεταλλικής πλάκας του κάτω πέλματος και τον αριθμό των ράβδων πυροπροστασίας που τοποθετούνται μέσα στον πυρήνα της δοκού. Ο οπλισμός πυροπροστασίας αντισταθμίζει την απώλεια αντοχής του κάτω πέλματος κατά τη διάρκεια της πυρκαγιάς και ως εκ τούτου, συνήθως, δε χρειάζεται πρόσθετη εξωτερική πυροπροστασία.Ο τελικός στόχος του ερευνητικού προγράμματος είναι η δημιουργία μιας αμιγώς πλαισιωτής κατασκευής με δοκούς Deltabeams το οποίο θα έχει επαρκή αντοχή και πλαστιμότητα έναντι σεισμικών φορτίων ή/και πιθανοτήτων διαδοχικής κατάρρευσης. Ο μικρός αριθμός δημοσιεύσεων σχετικών με την πειραματική διερεύνηση της καμπτικής συμπεριφοράς λεπτών σύμμεικτων κρυφοδοκών και η έλλειψη αναφορών στους Ευρωκώδικες για τις εν λόγω δοκούς, ανέδειξε την ανάγκη για πιο εκτεταμένη διερεύνηση του θέματος. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται το πρώτο μέρος της έρευνας, το οποίο σχετίζεται με την καμπτική συμπεριφορά της σύμμεικτης δοκού Deltabeam έναντι θετικών ροπών (εφελκυσμός κάτω πέλματος).Για τις ανάγκες της διατριβής εξετάστηκε πειραματικά η συμπεριφορά δεκατριών αμφιέρειστων δοκών χωρισμένων σε τέσσερις ομάδες, ανάλογα με τον τύπο της διατομής τους. Αρκετοί σημαντικοί παράγοντες, όπως το μέγεθος των χαλύβδινων διατομών, οι λεπτομέρειες των οπλισμών, η διάταξη των διατμητικών ήλων και η γεωμετρία της πλάκας σκυροδέματος μελετήθηκαν μέσω της πειραματικής διερεύνησης. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μετρήθηκε η κατακόρυφη μετακίνηση στο μέσο των δοκιμίων και η στροφή του δοκιμίου, οι παραμορφώσεις του κάτω μεταλλικού πέλματος σε όλες τις δοκούς και του άνω πέλματος στις περιπτώσεις που αυτό ήταν δυνατόν και η ολίσθηση μεταξύ του σκυροδέματος και της μεταλλικής δοκού σε έξι σημεία κατά μήκους της. Οι συγκεκριμένες μετρήσεις συσχετιστήκαν με το φορτίο και παρουσιάζονται με μορφή διαγραμμάτων στο αντίστοιχο κεφάλαιο της διατριβής.Στη συνέχεια, δημιουργήθηκαν τρισδιάστατα προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων τα οποία βαθμονομήθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα. Η καλή συσχέτιση των αριθμητικών προβλέψεων με τα πειραματικά αποτελέσματα δίνει ένα εξαιρετικό εργαλείο για την περαιτέρω διερεύνηση παραγόντων που δεν μπόρεσαν να μετρηθούν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν και, έτσι, να βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση της συνολικής συμπεριφοράς των εν λόγω δοκών. Τέλος, οι δοκοί Deltabeams χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία ως αμφιέρειστες δοκοί για τον σχεδιασμό ενός κτιρίου γραφείων έναντι σεισμού. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων με ένα δεύτερο προσομοίωμα που κατασκευάστηκε από συμβατικά μονολιθικά πλαίσια σκυροδέματος αποκάλυψε την ευεργετική επίδραση του υπό εξέταση δομικού συστήματος, καθώς, λόγω του χαμηλότερου ύψους των Deltabeams, υπήρχε χώρος για περισσότερους ορόφους για το ίδιο συνολικό ύψος του κτιρίου.