Cyclic Behaviour of Slab-Column Connections using the Engineered Cementitious Composite

Penyelidikan eksperimen di laboratorium dilakukan untuk mempelajari perilaku struktur hubungan pelat-kolom akibat kondisi pembebanan yang relatif tinggi. Dalam penelitian ini, alternatif baru diusulkan untuk meningkatkan respons struktur hubungan pelat-kolom. Alternatif ini menggunakan jenis material yang berorientasi semen yakni engineered cementitious composite (ECC) bersama dengan penggunaan elemen drop panel pada bagian sambungan yang berfungsi sebagai penebalan lokal. Untuk menunjukkan penerapan alternatif yang diusulkan, tiga jenis benda uji diuji terhadap beban gravitasi konstan dan beban lateral siklik. Benda uji tersebut merupakan benda uji skala 1:2 yang juga merupakan representasi model interior hubungan pelat-kolom pada prototipe bangunan flat slab. Semua beda uji didesain tanpa menggunakan tulangan geser pada pelat, namun rasio tulangan lenturnya didesain cukup rendah dengan nilai berkisar 0.01. Hal ini dilakukan untuk menjamin bahwa benda uji akan berperilaku dalam kondisi under-reinforced sehingga mengizinkan tulangan lentur pada pelat mengalami pelelehan terlebih dahulu sebelum kegagalan beton pada benda uji. Jumlah tulangan pelat dan kolom yang digunakan pada benda uji adalah tipikal untuk setiap spesimen. Benda uji kontrol, di sini sebut sebagai benda uji pertama, di fabrikasi menggunakan beton konvensional, sedangkan benda uji kedua dan ketiga di fabrikasi dengan kombinasi material ECC dan beton konvensional. Pada benda uji kedua dan ketiga, ECC hanya dicor pada daerah penebalan lokal (drop panel). Mutu beton konvensional dan ECC pun didesain relatif sama. Semua benda uji dibebani dengan skenario beban siklik lateral yang sama. Pengecualian hanya terjadi pada penentuan nilai rasio beban gravitasi (GSR) di mana benda uji pertama, kedua dan ketiga memiliki GSR 0,08, 0,05, dan 0,25 secara berurutan. Perbedaan nilai rasio beban gravitasi dilakukan untuk mengetahui kinerja ECC dalam menahan beban gravitasi yang cukup signifikan. Selain pengujian secara eksperimen di laboratorium, analisis nonlinear menggunakan perangkat numerik juga dilakukan dalam penelitian ini sebagai perbandingan hasil eksperimen yang telah diperoleh. Dalam hal ini, tiga jenis perangkat numerik digunakan untuk menyimulasikan perilaku hubungan pelat-kolom. Di samping verifikasi hasil eksperimen, analisis lebih lanjut juga dilakukan untuk menjelaskan mekanisme gaya-gaya dalam yang bekerja pada benda uji hubungan pelat-kolom ketika dibebani beban gravitasi dan beban lateral siklik, sebagai contoh, distribusi tegangan utama pada pelat, atau mekanisme pembentukan sendi plastis. Berdasarkan hasil eksperimental, hal ini jelas terbukti bahwa semua benda uji mengalami kegagalan dalam kondisi lentur. Hal ini terlihat dari sebagian besar retak yang terjadi pada daerah pelat merupakan retak yang tegak lurus dengan arah pembebanan, di mana retak ini pun merambat selebar lebar pelat. Di sisi lain, terlihat pula bahwa benda uji kedua menunjukkan kenaikan kapasitas beban lateral dua kali lipat lebih besar daripada benda uji kontrol. Di samping itu, setelah kenaikan rasio simpangan 3,5%, benda uji kedua tidak mengalami penurunan kekuatan, sedangkan benda uji kontrol menunjukkan kehilangan kekuatan lateral yang signifikan pada rasio simpangan yang sama. Berdasarkan hasil pengamatan pada benda uji ketiga, jelas terlihat bahwa respons benda uji ini hampir menyerupai benda uji kedua meskipun dibebani dengan rasio beban gravitasi menengah. Berdasarkan evaluasi kriteria ACI 374.1-05, benda uji kedua dan ketiga secara umum memenuhi persyaratan sebagai struktur tahan gempa, meskipun benda uji yang diusulkan belum layak direkomendasikan untuk diterapkan pada kategori desain seismik IV karena kekakuan awal yang tidak memadai. Berdasarkan hasil analisis numerik, hal ini menunjukkan bahwa kurva histerisis dan backbone yang diperoleh pada pengujian eksperimen menunjukkan tren yang sama dengan kurva histerisis dan backbone analisis numerik. Hal lain juga menunjukkan bahwa nilai tegangan utama pada pelat masih lebih rendah dari kuat tekan beton, sehingga mengimplikasikan bahwa benda uji belum mengalami crushing pada beton. Hal ini juga dapat diasosiasikan dengan fenomena yang terjadi selama pengujian eksperimen, di mana semua benda uji tidak mengalami crushing bahkan sampai pada akhir pembebanan. ================================================================= An experimental investigation has been undertaken to study the behaviour of slab-column connections subjected to high loading conditions. A novel alternative to improve the structural response of slab-column connections is proposed. The proposed alternative employs the use of a cement-based engineered cementitious composite (ECC) material along with the addition of drop panel attached to the connection. To demonstrate the applicability of this alternative, the three test specimens were tested under combined gravity and cyclic lateral loading. These specimens were half-scale representations of interior slab-column connections in a prototype flat slab building. All test specimens had no shear reinforcement provided in the slab, yet the longitudinal reinforcement ratio was designed relatively low, with the ratio approximately 0.01. This is to ensure that the specimens were in under-reinforced section thereby allowing the reinforcing bars to yield prior to specimen failure. The amount of reinforcing bars used to make the specimen was typical to each of test specimens. The control specimen, hereinafter referred to as the first specimen, was cast using conventional concrete, while other second and third specimen were cast with ECC and conventional concrete. In both latter specimens, ECC was only placed within the local thickening area. The grades of conventional concrete and ECC were also designed similarly. All specimens were subjected to similar cyclic displacement routine. The only exception lies on the application of gravity shear ratio (GSR) in which the value of GSR of first, second, and the third specimen was 0.08, 0.05, and 0.25 respectively. The influence of the different range of gravity shear ratio was examined to assess the performance of ECC resisting the intermediate gravity load. Apart from the experimental investigation, a number of nonlinear finite element simulations have also been included in this study for comparative purposes with regard to the experimental results. As such, three different finite element software packages have been used to perform the nonlinear analysis. In addition to the experimental verification, further analysis has been carried out to lucidly explain the internal mechanisms of slab-column connections when being subjected to combined gravity and cyclic lateral loading, for instance, the principal stress distribution alongside the slab, and the governance of plastic hinge zone. From the experimental results, it is evident that the failure of all specimens is regarded as flexure failure, showing the majority of inclined crack is perpendicular to loading direction which also extends towards the entire width of the slab. It is also shown that the second specimen exhibits better behavioural response than control specimen whereby the lateral load capacity is nearly twice higher than the first specimen. Furthermore, upon the drift ratio of 3.5%, the second specimen does not undergo strength degradation, whereas in the control specimen the prominent loss of strength is apparent at 3.5% drift level, implying the response is on the verge of failure. With regard to the results from the third specimen, it is shown the overall behaviour resembles the response of the second specimen despite being subjected to intermediate gravity loading. In accordance with the evaluation of acceptance criteria, the second and third specimen generally comply the requirements as an earthquake proof and resistant structure. The only exception is that the proposed structure is not yet recommended to be applied in seismic design category IV due to inadequate initial stiffness provided by the structure. In terms of numerical results, it is shown that the hysteretic and backbone curves obtained from experimental tests are in good agreement with the hysteretic and backbone curves obtained from the nonlinear finite element analysis. It is also shown that the magnitude of principal stress is still less than the compressive stress of concrete, owing to the fact that the specimens do not undergo concrete crushing. This also can be associated with the phenomenon captured in the experimental investigation where all the test specimens did not experience concrete crushing up to the final stage of loading