Granična nosivost pri probijanju montažnih prethodno napregnutih ploča u oblasti ivičnih stubova

Abstract

U okviru ove disertacije izvršeno je eksperimentalno ispitivanje granične nosivosti pri probijanju veze između ivičnog stuba i montažne "liftovane" ploče, prethodno napregnute kablovima bez spoja sa betonom. Pored eksperimentalnog istraživanja, urađena je i nelineama numerička analiza za jedan od ispitanih modela, primenom metode konačnih elemenata. Prikazan je pregled prethodnih eksperimentalnih i analitičkih istraživanja, izvršeno poređenje sopstvenih eksperimentalnih rezultata sa odredbama pojedinih propisa i rezultatima numeričke analize i dato je objašnjenje mehanizma loma ploča usled probijanja. Cilj istraživanja je praćenje ponašanja ploče u oblasti njenog spoja-veze sa ivičnim stubom u svim naponsko-đeformacijskim stanjima koja su od interesa za teoriju i praksu, kao sto su: faza eksploatacije (formiranje i razvoj prslina, đeformacije, naponi u betonu, armaturi, čeličnoj "kragni", kablovima za prethodno naprezanje); faza loma (mehanizam loma usled probijanja, granična nosivost, povećanje napona u kablovima u stanju loma) i granična nosivost veze u funkciji velieine i krutosti celione "kragne". Eksperimentalno ispitivanje je izvršeno na tri modela koji predstavljaju izdvojeni deo ivičnog polja ploče-prototipa око stuba. Modeli su izradeni u prirodnoj velieini, sa pažljivo odabranim konturnim uslovima, tako da naponsko-deformacijska stanja u modelima odgovaraju naponsko-deformacijskim stanjima u višepanelnoj ploči-prototipu. Osnovna promenljiva bila je velieina i oblik celione "kragne". Ostale karakteristike modela bile su približno iste (dimenzije 3.5x2.8x0.18m, kvalitet materijala, raspored i trasa kablova, nivo prethodnog naprezanja), osim kolieine prethodno nezategnute rebraste armature. Model SI je imao minimalnu kolicinu ove armature, a modeli S2 i S3 znatno veéu, da bi se obezbedio primarni lom usled probijanja. U toku ispitivanja praéeno je formiranje i razvoj prslina, ugibi modela, dilatacije čelika armature i čelika "kragne", dilataeije betona, dilatacije kablovskog čelika, na izabranim mestima i u izabranim koraeima optereéenja. Nelinearna numerička analiza sprovedena je za model S3 korišćenjem programskog paketa DIANA koji se zasniva na metodi konačnih elemenata. Ploča je modelirana "solid" elementima, a beton je opisan kao eiasto-plastičan materijal sa Mohr-Coulomb- ovim uslovom tečenja. Koriséen je koneept "razmazanih" prslina i dva različita modela za II opisivanje ponašanja betona pri zatezanju: "krto" ponašanje i linearno "omekšanje". Kao materijalni model za čelik armature i "kragne" usvojen je takođe elasto-plastičan model sa Von-Mises-ovim uslovom tečenja. Uticaj kablova modeliran je samo kroz ekvivaientno opterećenje, dakle oni nisu element numeričkog modela. Poredenje sopstvenih eksperimentalnih rezultata sa odredbama Evrokoda 2, Modela propisa CEB-FIP i američkih propisa ACI 318-89, pokazalo je da postoji velika neujeđnačenost izmedu navedenih propisa kada su u pitanju stvami koeficijenti sigurnosti od loma ploča usled probijanja. Pri tome, Evrokod 2 daje najveće stvarne koeficijente sigurnosti. Ovi eksperimenti takode pokazuju da je precenjen uticaj velieine oslonca na graničnu nosivost na probijanje ploča, prema svini navedenim propisima. Nelineama numerička analiza modela S3 dala je rezultate koji se sa merenim podacima slažu na sasvim zadovoljavajući način (najveée odstupanje merenog od računskog optereéenja loma iznosi 11%), a od tri različita numerička modela najbolji rezultati su dobijeni sa modelom u kome je usvojeno "krto" ponašanje betona pri zatezanju u celoj ploči. Korišćenjem rezultata sopstvenih eksperimentalnih ispitivanja i rezultata sprovedene nelineame numeriche analize, objašnjen je mehanizam loma usled probijanja i pokazano da do loma dolazi u uslovima izraženog troosnog stanja napona, te da se kriterijum loma mora definisati za troosno stanje napona. Zbog praktične neupotrebljivosti komplikovanih mehanickih modela za opisivanje loma ploča usled probijanja, predlaže se primena metode kritičnog preseka u svakodnevnoj inženjerskoj praksi. Ukazano je, takođe, na potrebu daljih eksperimentalnih istraživanja "liftovanih" ploča, naročito kada je u pitanju uticaj oblika i krutosti "kragne" i uticaj momenta savijanja (slučaj kada se veza naknadno monolitizuje), kako bi se metoda kritičnog preseka kvalitetno primenjivala i na ovu klasu pi oca direktno oslonjenih na stubove.

This thesis deals with experimental and numerical investigation of the punching shear capacity of unbonded post-tensioned lift flat slabs at edge columns. The subject of the research is experimental and numerical investigation of behaviour and strength of prestressed lift slab-edge column connections with unbonded tendons. The purpose of the research is to follow the behaviour of the connection for service loads (crack patterns, deflection profiles, stresses in tendons, reinforcement and concrete) and in the stage of failure, ultimate resistance, failure mechanism, stress increase in unbonded tendons. Three isolated edge column-flat slab connections were loaded to failure. The models represented a part of the edge panel in the vicinity of the column at full scale. The boundary conditions were controlled in order to accurately simulate the behaviour of a prototype multipanel structure. The specimens, which dimensions were 3.5x2.8x0.f8 m, had banded tendon layout and the reinforcing bars normally used in these cases. The primary variable was the size of the steel lifting collar in the specimens. Measurements of strain were made along the reinforcement and concrete immediately adjacent to the column. The failure loads, deflections of the specimens and variations in unbonded tendon’s strain were also measured. The experimental investigation of model S3 was simulated by use of the Finite Element program system DIANA. Slab S3 was modelled by solid elements and an embedded formulation was used for reinforcement. A non-associated Mohr-Coulomb plasticity based formulation was applied for concrete in compression and a smeared crack approach for the tensile regime. Two different tension softening relations were used, brittle cracking behaviour and linear tension softening. Comparisons between experimental results and the provisions of Eurocode 2, ACI 3f8- 89 and CEB-FIP Model Code 1990 were made. Experimental results showed that the provisions of these Codes were conservative concerning the punching shear strength of unbonded post-tensioned lift slabs at edge columns. Also, comparisons with the results of nonlinear numerical analysis were made. The numerical results mapped the experimental results fairly well. For example, the deviation for the ultimate capacity did not exceed 11 IV %. This study suggests that FE-analysis can be used beneficially in design of punching shear of reinforced and prestressed concrete structures. On the basis of numerical and experimental results, the attempt was made to explain the failure mechanism of the slab-edge column connections. It was concluded that the key to the understanding of the mechanics of punching failure is a proper modelling of the triaxial conditiones that govern the behaviour of such structures. Under working-stress conditiones, vertical stresses are negligible in comparison with the predominantly horizontal stresses in the plane of slab; prior to collapse, although still relatively small, the vertical tensile stresses associated with the sudden volumetric expansion of concrete govern the mode of failure. This stage of research indicates the need for more experimental work, with different collar stiffnes and different rates of moment transfer between the lift slab and edge column, before general design procedures can be established.