Study of V-shaped shear connectors in steel-concrete composite beam

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2010.Esta tese, através de estudos numéricos e experimentais, apresenta o desenvolvimento de um conector de cisalhamento proposto para uso em vigas mistas de aço-concreto. O conector proposto é de fácil confecção e pode servir como alternativa ao uso do conector stud. Foi idealizada uma geometria para o conector que propiciasse confinamento do concreto da laje, maior área de contato com o concreto além de maior rigidez. Um conector em forma de ‘V’, feito de cantoneira metálica, foi concebido e de início exaustivamente estudado pelo método dos elementos finitos (MEF) via programa Ansys. O estudo numérico investigou até o colapso a distribuição de tensão, a formação de fissuras e o deslizamento do perfil em relação à laje. Os resultados destas análises foram comparados com iguais análises tanto do conector stud como também do conector em forma de ‘U’. A comparação dos resultados numéricos mostrou as vantagens do conector ‘V’ sugerido. A partir destes resultados numéricos estabeleceu-se um programa experimental que envolveu 16 ensaios de push-out a fim de confirmar as boas expectativas obtidas nas análises numéricas pelo MEF. Nos experimentos foram investigados aspectos de ductilidade, uplift, fissuração do concreto, deformação e modos de colapso do conector proposto. Também se apresenta neste trabalho uma formulação matemática de verificação da carga de colapso do conector ‘V’ com margem de erro de 3%. Os resultados demonstram que o conector ‘V’ feito de cantoneira apresenta maior rigidez de ligação em relação ao conector ‘U’ e stud, menor concentração de tensões na laje, e ductilidade semelhante ao conector stud. O conector ‘V’ aqui proposto mostra-se como uma fácil alternativa de conector de cisalhamento para uso em vigas mistas de aço-concreto. _________________________________________________________________________________ ABSTRACTThis thesis, using numerical and experimental studies, presents the development of a shear connector proposed for applications in composite steel-concrete beams. The proposed connector can easily be manufactured and may be an alternative to using the stud connector. An idealized geometry for the connector was idealized such that it could confine the slab concrete; provides larger contact area with the slab concrete and, in addition, offers higher stiffness. A connector in ‘V’ shape, made of steel rolled angle, was designed. Initially, such connector was extensively studied with finite element method (FEM) modeling using the Ansys software. The numerical study investigated until collapse the stresses, crack formations and sliding of the steel beam with respect to the concrete slab. The results of such analysis were compared with similar analyses accomplished on stud and ‘U’ shear connectors. The comparison of the numerical results showed the advantages of the suggested V-shaped shear connector. Based on these numerical results an experimental program was set up comprising 16 push-out tests to confirm the good expectations anticipated in the numerical FEM analyses. The lab experiments investigated ductility, uplift, concrete cracking, deformation and failure modes of the proposed Vshaped connector. This work also presents a mathematical formulation for the verification of the collapse load of the proposed connector with only 3% of error. The results demonstrate that the V-shaped connector made of steel angle has a higher rigidity compared with the ‘U’ and stud connectors. It also produces less stress concentration in the concrete slab and shows ductility similar to the stud connector. The proposed V-shaped connector represents an easy alternative for use as shear connector in steel-concrete composite beams