Conception and design of high-performance steel-concrete composite slabs

Tese no âmbito do Doutoramento em Construção Metálica e Mista orientada pelo Professor Doutor Rui António Duarte Simões e apresentada ao Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade de Coimbra.Steel-concrete composite slabs with profiled steel sheeting represent the most common solution for floors in steel and composite buildings. In general, the main advantages of this structural system are considered to be the increase of the construction speed, the elimination of conventional replaceable shuttering and the reduction of the number of props. According to Eurocode 4, Part 1-1 (EN 1994-1-1), the real capacity of steel concrete composite slabs could be governed by bending, vertical shear or longitudinal shear resistance. In general, the latter one is usually the most conditioning mode for slabs with the spans currently used. Due to the contribution of the profiled steel sheeting, composite slabs have a significant bending capacity but to take advantage of it higher connection degrees must be provided. This thesis aims to develop an innovative reinforcing system to increase the longitudinal shear capacity of composite slabs. The system is constituted by a set of transversal reinforcing bars crossing the longitudinal stiffeners executed along the upper flanges of the steel sheet profiles. This type of reinforcement allows to increase the connection degree of composite slabs in order to increase their longitudinal shear capacity or even achieve their bending resistance. Transversal bars also allow to increase the ductility of the slab. Several experimental tests were carried out, including a small-scale test programme – to study the resistance provided by the reinforcing system in detail – and a full-scale test programme to test simply supported and continuous composite slabs – to assess the efficacy of the proposed reinforcing system on the global behaviour of the slabs. Based on the results of the small-scale tests, an equation to predict the resistance provided by the proposed reinforcing system was established. In order to complement the findings from the experimental tests and verify the accuracy of the design methodologies when applied to composite slabs reinforced by the proposed reinforcing system, a numerical study was carried out using the software Abaqus. Numerical models were calibrated and validated according to the results experimentally obtained. After calibration and validation, the influence of several geometric and mechanical parameters in the behaviour of these slabs was studied. From the numerical results it was found that increasing the thickness of the profiled steel sheeting allows to increase significantly both the connection degree in the slab and the longitudinal shear resistance, and hence the bearing capacity of the slab. In many cases, particularly in composite slabs with short spans or current spans but with their longitudinal shear behaviour improved by reinforcing systems, the design is governed by the vertical shear capacity, if the resistance is predicted using the design model of Eurocode 4, Part 1-1. However, the design method to predict the vertical shear resistance underestimates the shear resistance of steel-concrete composite slabs because it is based on the design model for reinforced concrete slabs stated in Eurocode 2, Part 1 1 (EN 1992-1-1), and it does not take into account adequately the contribution of the profiled steel sheeting. The results of an experimental programme, comprising 4 experimental tests on short-span steel-concrete composite slabs are then shown and discussed. In order to induce a failure by vertical shear, the composite slabs tested were reinforced by transversal bars distributed over the shear span. The results of the experimental tests were then used to validate the numerical models, which made it possible to carry out a parametric analysis. The results obtained showed that the real vertical shear resistance of a composite slab can be more than 5 times higher than its design value if predicted according to european rules. These results also showed that the profiled steel sheeting provides a significant contribution to the total resistance of the slab, particularly for composite slabs with high degrees of shear connection. The present study allows for the conclusion that the resistance and the ductility of composite slabs using the proposed reinforcing system are significantly increased. Regarding to the vertical shear capacity of steel-concrete composite slabs, the experimental and numerical results showed that the design methodology prescribed by Eurocode 4, Part 1-1, is quite conservative as it underestimates the relevant contribution of the resistance of the profiled steel sheeting to the vertical shear capacity of the slab.As lajes mistas de aço e betão representam a solução mais frequente em sistemas de pavimentos de estruturas metálicas e mistas. A redução do tempo de construção, a diminuição do número de elementos de cofragem e de escoramento e a facilidade de transporte e armazenamento das chapas perfiladas são, geralmente, as principais vantagens que permitem promover a aplicação de lajes mistas. De acordo com o Eurocódigo 4, parte 1-1 (EN 1994-1-1), a capacidade de carga de lajes mistas de aço e betão pode ser condicionada por um de três modos de rotura: flexão, esforço transverso e corte longitudinal. Habitualmente, o último modo de rotura é o mais condicionante para lajes mistas se vãos correntes. Devido à contribuição da chapa perfilada, as lajes mistas têm uma elevada capacidade de flexão, contudo para que se possa tirar partido desta é necessário garantir um elevado grau de conexão entre a chapa perfilada e o betão. O presente documento descreve o processo de desenvolvimento de um sistema de reforço inovador para lajes mistas, que consiste na aplicação de um sistema de armadura transversal distribuído ao longo do vão a intersetar a chapa perfilada em reforços longitudinais localizados nos banzos superiores do perfil. Trata-se de um sistema de reforço que permite aumentar a capacidade de lajes mistas ao corte longitudinal, através do aumento do nível de conexão entre a chapa e o betão, e, consequentemente, tirar maior partido da elevada capacidade das lajes mistas à flexão. O sistema de reforço desenvolvido permite igualmente aumentar o nível de ductilidade do seu comportamento ao corte longitudinal. Foi levada a cabo uma campanha experimental de provetes de escala reduzida que permitiu definir a capacidade de carga em cada ponto de conexão e desenvolver uma metodologia de dimensionamento que contabilize a contribuição deste sistema de reforço. A eficácia do sistema de reforço foi comprovada pelos resultados de uma campanha experimental de ensaios de flexão a lajes mistas com armadura transversal. Em função dos resultados obtidos na campanha experimental com provetes de escala reduzida foi desenvolvida uma equação que permite definir a resistência do sistema de reforço para que possa ser considerada no dimensionamento destas lajes mistas. Por forma a complementar os resultados experimentais e verificar o modelo de dimensionamento desenvolvido para o dimensionamento de lajes mistas com o sistema de reforço proposto foi levado a cabo um estudo numérico fazendo uso do software Abaqus. Os modelos numéricos foram calibrados e validados de acordo com os resultados experimentalmente obtidos. Após a validação dos modelos numéricos, a influência de vários parâmetros geométricos e mecânicos foi estudada. A partir dos resultados numéricos foi possível observar que o aumento da espessura da chapa perfilada permite aumentar significativamente a eficácia do sistema de reforço, a resistência ao corte longitudinal e, consecutivamente, a capacidade global de lajes mistas. Em muitos casos, particularmente em lajes mistas de vãos curtos ou vãos correntes onde o seu comportamento ao corte longitudinal é melhorado por sistemas de reforço, o dimensionamento destes elementos é condicionado pelo seu valor de resistência ao esforço transverso. Contudo, de acordo com o modelo do Eurocódigo 4, parte 1-1, o modelo de dimensionamento de lajes mistas ao esforço transverso do Eurocódigo 4 é remetido para o Eurocódigo 2, tratando estas lajes como se fossem lajes maciças de betão armado e desprezando a contribuição da chapa perfilada. Por forma a estudar o comportamento de lajes mistas ao esforço transverso foi levada a cabo uma campanha experimental a 4 lajes de vãos curtos. Por forma a provocar uma rotura por esforço transverso os provetes foram reforçados com armadura transversal distribuída ao longo do vão de corte e foram sujeitas a vãos de corte reduzidos. Os resultados experimentais permitiram validar os modelos numéricos para simular uma rotura por esforço transverso e desenvolver um estudo paramétrico de análise do comportamento de lajes mistas ao esforço transverso. Os resultados atingidos indicaram que o esforço transverso resistente de uma laje mista pode ser superior a 5 vezes o seu valor de cálculo. Estes resultados permitiram concluir que a chapa perfilada contribui significativamente para a resistência de lajes mistas ao esforço transverso, especialmente em lajes mistas com um nível de conexão elevado. Em suma, o presente estudo permite concluir que as lajes mistas de aço e betão com o comportamento ao corte longitudinal melhorado por armadura transversal a intersetar a chapa perfilada têm uma resistência e uma ductilidade significativamente superior. Relativamente à capacidade de lajes mistas ao esforço transverso, os resultados permitiram concluir que o método de dimensionamento disponível no Eurocódigo 4, parte 1-1, é bastante conservador por não permitir ter em conta a contribuição da chapa perfilada.O Feliz Metalomecânica S