«

»

Imbinari grinda-stalp pentru sisteme de tip slim-floor in zone seismice. Investigatii numerice si programul experimental

Share

Sistemul de tip slim-floor este atractiv pentru constructori si arhitecti datorita integrarii grinzilor de otel in inaltimea totala a planseului, ceea ce conduce la un spatiu suplimentar la fiecare nivel. Placa din beton ofera grinzilor de otel o protectie naturala impotriva focului, in timp ce utilizarea foilor de tabla profilata din otel reduce volumul de beton si poate inlocui grinzile secundare. In prezent, solutiile de tip slim-floor sunt aplicate in regiuni non-seismice si exista putine studii care iau in considerare imbinarea continua sau semi-continua a grinzilor pentru planseele de tip slim-floor.

Studiul prezentat in aceasta lucrare, in curs de desfasurare, a fost realizat cu scopul de a dezvolta imbinari fiabile (cu suruburi si placa de capat), pentru grinzi de tip slim-floor, care pot fi aplicate cladirilor situate in zone seismice. In acest scop, a fost realizat un program numeric in doua etape: (i) calibrarea unui model numeric cu elemente finite (EF) pe baza unui test de incovoiere in patru puncte al unei grinzi slim-floor si respectiv (ii) studiul de caz efectuat pentru investigarea imbinarilor grinda-stalp cu rezistenta si rigiditate totala. Lucrarea prezinta principalele rezultate ale studiului, programul experimental, concluziile si activitatile de cercetare viitoare.

 

Solutiile structurale rezultate prin utilizarea elementelor compozite sunt considerate ca fiind o metoda eficienta de sporire a performantelor structurale. Rezulta o serie de avantaje prin integrarea betonului, otelului si a componentelor suplimentare intr-un element mai rezistent si/sau mai ductil [1]. In particular, sistemul de constructie slim-floor este atragator pentru constructori si arhitecti, datorita integrarii grinzilor de otel in inaltimea totala a planseului, ceea ce conduce la un spatiu suplimentar la fiecare nivel, care poate fi speculat in vederea extinderii spatiului util final. Placa de beton ofera o protectie naturala impotriva focului la grinzile din otel, in timp ce utilizarea tablei profilate reduce volumul de beton, si pentru deschideri obisnuite poate inlocui grinzile metalice secundare.

Solutiile de tip slim-floor sunt aplicate in prezent in regiuni non-seismice – [2], [3] si exista putine studii care iau in considerare imbinarea continua sau semi-continua a acestor tipuri de grinzi. S-a demonstrat in [4] ca, pentru incarcari statice, imbinarile semi-continue ale grinzilor de tip slim-floor imbunatatesc rigiditatea acestora la incovoiere si permit utilizarea unor sectiuni mai mici pentru grinda si planseu, respectiv rezulta o performanta mai buna in exploatare prin reducerea fisurilor, a deformatiilor si a vibratiilor. In [5] si [6] s-a aratat ca in cazul cresterii incarcarilor gravitationale, imbinarea continua a grinzilor slim-floor poate conduce la formarea articulatiilor plastice, atat la capete, cat si la mijlocul deschiderii. In contrast, comportamentul seismic obisnuit se bazeaza pe o rigiditate laterala crescuta si pe anumite mecanisme de cedare (dezvoltarea articulatiilor plastice in elemente disipative sau imbinari). In consecinta, in cazul cadrelor ne-contravantuire (MRF), sau al sistemelor structurale duale – la care contribuie si cadrele MRF, grinzile sau imbinarile grinda-stalp ale cadrelor MRF vor disipa energie prin formarea articulatiilor plastice. Prin urmare, aplicarea unor sisteme de tip slim-floor in zone seismice ar trebui sa ia in considerare imbinarea incastrata pe stalpii structurali, dezvoltand astfel capacitatea de incovoiere. Cu toate acestea, ar trebui luate in considerare anumite aspecte caracteristice sistemelor slim-floor (fig. 1):

  • placa de beton inglobeaza talpa superioara a grinzii metalice si necesita un strat de armare superior pentru preluarea momentelor incovoietoare negative;
  • conexiunea naturala si/sau conectorii de tip „concrete-dowels” (beton si armatura ce patrund prin gauri din inima grinzii metalice) contribuie semnificativ la conexiunea otel-beton. In multe cazuri nu este nevoie de conectori suplimentari;
  • partea inferioara a profilului din otel este mai lata decat talpa superioara pentru a putea aseza sistemul de sustinere a betonului: table profilate sau placi din beton prefabricate.

Studiul de fata investigheaza posibilitatea de a dezvolta imbinari fiabile pentru grinzi slim-floor, in vederea utilizarii pentru cladiri situate in zone seismice. Lucrarea prezinta investigatiile numerice cu elemente finite si rezultatele studiului. Intr-o prima etapa, un model numeric cu elemente finite a fost calibrat pe baza unui test de incovoiere in patru puncte al unei grinzi slim-floor. In plus, a fost realizat un studiu de caz in vederea investigarii imbinarilor grinda-stalp solicitate de momente incovoietoare negative si pozitive.

 

Calibrarea numerica a unei grinzi de tip slim-floor

Studiul numeric (pe imbinari intre stalpi si grinzi de tip slim-floor) – a avut ca punct de pornire calibrarea unui model cu elemente finite (EF) pe baza incercarilor experimentale descrise in [2] asupra unui ansamblu de incovoiere in patru puncte al unei grinzi de tip slim-floor. Studiul a validat acuratetea modelului numeric referitor la tipul de material utilizat, la contactele dintre diferitele elemente si pentru configurarea conditiilor de margine.

Astfel, prin calibrare s-au obtinut informatii despre comportarea elementului compus otel-beton, coeficientul de frecare dintre cele doua materiale, procedura de modelare, importanta conectorilor de tip concrete-dowels, interactiunile si discretizarea. Rezultatele detaliate ale studiului pot fi gasite in [7] si [8].

 

Studiu numeric pre-test asupra ansamblelor de nod grinda-stalp cu grinzi de tip slim-floor

Configuratia ansamblului de nod grinda-stalp

Ansamblul de nod a fost conceput dintr-o imbinare cu suruburi si placa de capat extinsa, respectiv cu o sectiune redusa la nivelul talpii inferioare. Placa din beton armat asigura continuitatea armaturii prin extinderea in spatele stalpului. Figura 2 prezinta configuratia ansamblului de nod grinda-stalp investigat, precum si componentele de imbinare, armarea placii de beton si elementele din otel. Solutia tehnica considerata a rezultat pe baza dimensionarii unei imbinari de tip grinda-stalp pentru un cadru de tip MRF si a rezultatelor studiului de calibrare numerica, prezentat in capitolul 2 – [7].

Stalpul din otel este realizat dintr-un profil HEB340, iar grinda de otel este compusa dintr-o placa de otel la partea inferioara (PL-20×380 mm) sudata de o jumatate de profil IPE600. Lungimea stalpului este de 3.930 mm, iar lungimea grinzii este de 2.680 mm. Au fost luate in considerare rigidizari orizontale si o placa suplimentara pe panoul de inima al stalpului, ambele pentru limitarea deformabilitatii panoului de inima al stalpului. Imbinarea dintre grinda si stalp este realizata cu patru randuri de suruburi M36-HR.10.9 si placa de capat extinsa (fig. 2). In cadrul placii inferioare de otel, a fost luata in considerare o sectiune redusa (de tip dog-bone) cu scopul de a forta dezvoltarea articulatiei plastice in grinda si a asigura un raspuns predominant elastic al imbinarii.

Placa din beton, care integreaza grinda metalica si armaturile (transversala, longitudinala si inclinata), a fost considerata cu o latime de 1.500 mm si o inaltime de 145 mm. Latimea efectiva calculata conform normativului EN 1994-1 [9] a fost de 1.200 mm. Pentru a asigura o armare continua in zona de imbinare, placa a fost extinsa in spatele stalpului cu 600 mm. In plus fata de barele transversale si longitudinale, au fost utilizate si armaturi inclinate pentru placa de beton (fig. 2). Continuitatea armaturilor longitudinale este asigurata prin dispunerea acestora in jurul stalpului. Barele de armare ale nodului satisfac conditiile imbinarilor pentru armaturi prevazute in anexa C a EN 1998-1-1 [10]. In consecinta, barele de armare longitudinale contribuie in zona de imbinare la dezvoltarea momentului incovoietor negativ. Betonul din nervurile tablei profilate a fost ignorat in analiza si, prin urmare, acestea nu au fost modelate. Analizele numerice preliminare au aratat ca influenta acestora este nesemnificativa asupra capacitatii articulatiei plastice. Pentru conexiunea dintre placa din beton si profilul metalic au fost considerati conectori de tip concrete-dowels, adica armaturi cu diametrul de 10 mm care trec prin gauri de 40 mm in inima grinzii metalice. Distantele inter-ax intre gauri sunt de 125 mm.

 

Procedura de modelare

Investigatiile numerice ale ansamblului de nod grinda-stalp (fig. 2) au fost efectuate utilizand programul de modelare cu elemente finite Abaqus v6.13 [11]. Elementele finite de tip „beam” au fost folosite pentru armare si elemente solide pentru alte componente (suruburi, placi, beton etc.). Caracteristicile materialelor au fost definite pentru urmatoarele: beton (C30/37), otel structural (S355), suruburi (HR.10.9) si bare de armare (S400), avand in vedere atat proprietatile elastice cat si pe cele plastice. Figura 3a ilustreaza curbele de material reale (exceptand deformatia elastica) pentru suruburi (HR.10.9), armatura (S400) si otel structural (S355). Modelul de material pentru suruburi a fost definit pe baza unei calibrari anterioare a unui element de tip „T-stub” caracterizat de modul de cedare 3 (prin cedarea suruburilor) [12]. Pentru toate elementele din otel, modulul elastic a fost considerat 210 MPa, iar coeficientul Poisson a fost de 0,3. Modelul de material pentru beton este detaliat in [7], avand in vedere: modulul Young E = 32,5 MPa si coeficientul Poisson ν = 0,2. Dimensiunea globala maxima de discretizare a elementelor finite a fost de: armaturi – 20 mm; beton – 18 mm; profil din otel – 14 mm; placa de otel inferioara – 15 mm; stalp – 13 mm; placa de capat – 10 mm; placa si rigidizari pentru stalp – 12 mm; suruburi – 8 mm. Discretizarea ansamblului de nod grinda-stalp si a componentelor sale sunt ilustrate in Figura 3b. Conditiile de margine luate in considerare pentru stalp si grinda: (i) la partea superioara si inferioara a stalpului – un reazem mobil si respectiv unul fix; (ii) la capatul grinzii, incarcarea a fost aplicata in control de deplasare, conducand in zona de imbinare la un moment incovoietor negativ sau pozitiv.

 

Rezultate ale studiului numeric

Modelele numerice ale ansamblurilor de nod grinda-stalp au fost supuse momentelor incovoietoare negativ respectiv pozitiv. Tabelul 1 prezinta modelele numerice investigate.

Rezultatele grafice, respectiv distributia de tensiuni si deformatii plastice din cadrul analizelor numerice sunt prezentate pentru urmatoarele configuratii de nod: (i) model de referinta (fig. 4a pana la fig. 7a); (ii) ansamblul de nod grinda-stalp fara sectiunea redusa in placa inferioara (fig. 4b pana la fig. 7b). Rezultatele sunt prezentate sub forma curbelor moment (pozitiv si negativ) – rotire (fig. 4a, fig. 4b), si respectiv distributia de tensiuni si deformatii plastice (fig. 5, fig. 6, fig. 7).

Modelul de referinta prezinta un comportament echilibrat si simetric, sub momente incovoietoare negative cat si sub momente pozitive (fig. 4a). Din punctul de vedere al momentului capabil la incovoiere, cat si al rigiditatii initiale modelul prezinta un comportament plastic caracterizat de o panta descendenta dar dovedind o ductilitate semnificativa. Mecanismul de cedare a fost caracterizat de formarea articulatiei plastice in grinda de otel, atat sub moment incovoietor negativ cat si pozitiv.

Pe de alta parte, in cazul ansamblului de nod fara sectiunea redusa in talpa metalica inferioara (modelul M2), a fost evidentiata o crestere relativ mica a capacitatii atat la momentul incovoietor pozitiv, cat si la cel negativ (fig. 4b). Totusi, sub actiunea momentului incovoietor pozitiv, a rezultat un mod de cedare fragil prin ruperea suruburilor intinse (fig. 7b), reducand capacitatea generala de rotire a nodului, ceea ce constituie un dezavantaj in cazul nodurilor care trebuie sa permita redistributia momentelor in structura.

Pentru a optimiza raspunsul ansamblului de nod grinda-stalp, au fost luati in considerare mai multi parametri, asa cum sunt descrisi in Tabelul 1. Importanta fiecarui parametru este evidentiata mai jos:

  • influenta sectiunii reduse in placa din otel inferioara – s-a dovedit a fi o imbunatatire a comportamentului nodului, permitand formarea articulatiei plastice in grinda de tip slim-floor, atat sub moment incovoietor negativ cat si pozitiv;
  • gradul de conectare dintre otel si beton a fost studiat prin scaderea numarului considerat de conectori de tip concrete-dowels. Astfel, influenta numarului de conectori s-a dovedit a fi neglijabila. Reducerea numarului acestora (cu 50% si 66%) nu a afectat curbele moment-rotire pentru ansamblul plan de nod T cu grinda de tip slim-floor. Cu toate acestea, in cazul unei grinzi complete, rezemata la ambele capete, este de asteptat ca aceasta observatie sa fie diferita;
  • influenta tipologiei placii de capat este semnificativa, asa cum se poate observa in figura 8. Prin utilizarea unei placi de capat partial extinse (spre exemplu numai la partea inferioara), rezistenta nodului la incovoiere a fost influentata in mod direct de absenta unui rand de suruburi intins (modelul M4) si a condus la o reducere cu 30% a capacitatii. Rigiditatea a fost usor afectata. Mecanismul de cedare a constat in cedarea fragila a sirului de suruburi supuse la intindere;
  • influenta diametrului barelor de armare longitudinala influenteaza slab raspunsul nodurilor sub moment incovoietor negativ (fig. 9). In special, o reducere a diametrului de armare la 6 mm a fost insotita de o reducere a rezistentei de 7%, in timp ce cresterea diametrului armaturii de la 12 la 20 mm a condus la o crestere a rezistentei cu 3%;
  • influenta clasei de beton este nesemnificativa atat sub moment incovoietor pozitiv, cat si negativ (fig. 10), neafectand raspunsul global al nodurilor (diferentele inregistrate au fost mai mici de 2%);
  • prezenta placii de beton este importanta pentru raspunsul ansamblului de nod grinda-stalp, asa cum demonstreaza figura 11. Atat sub momente incovoietoare pozitive cat si sub cele negative, curbele moment-rotire au evidentiat o reducere semnificativa a capacitatii (25%) si rigiditatii (40%) in cazul neconsiderarii placii de beton. Cu toate acestea, curbele moment-rotire ale modelului de referinta si ale nodului metalic pur par sa convearga pentru rotatii mai mari de 110 miliradiani. Cresterea rezistentei la moment incovoietor negativ se datoreaza in mare parte aportului barelor de armatura, in timp ce in cazul momentului incovoietor pozitiv cresterea capacitatii se datoreaza cresterii bratului de levier prin deplasarea centrului de compresiune din talpa grinzii in placa din beton.

 

Programul experimental

Aspecte generale: configuratia ansamblului de nod grinda-stalp, standul experimental, instrumentarea, procedura de incarcare

Investigatiile experimentale sunt in curs de desfasurare, astfel ca articolul de fata include numai o prezentare succinta a testelor experimentale. Similar cu modelele numerice, specimenele sunt ansamble de nod grinda-stalp in forma de T (fig. 12). Solutia tehnica adoptata pentru imbinarea dintre grinda si stalp este reprezentata de modelul M1 (fig. 12a). Sectiunea redusa din placa de otel inferioara permite dezvoltarea articulatiei plastice in grinda. Aspecte din timpul armarii placii sunt prezentate in figura 12b. Similar modelului de referinta au fost considerate urmatoarele bare de armare: (i) barele longitudinale continue in jurul stalpului; (ii) armaturi transversale asezate pe talpa superioara a grinzii; (iii) barele inclinate care asigura conexiunea dintre placa si regiunea de beton dintre cele doua talpi ale grinzii metalice; (iv) barele de armare care trec prin inima grinzii metalice, ce formeaza conectorii de tip concrete-dowels si care asigura actiunea compusa intre grinda din otel si placa din beton.

Figura 12c ilustreaza standul experimental si ansamblul de nod grinda-stalp. Incarcarea se va aplica la capatul superior al stalpului prin intermediul unui actuator hidraulic. Un reazem articulat a fost considerat la baza stalpului, in timp ce pentru capatul grinzii a fost adoptat un pendul cu reazeme articulate. Pentru a evita deformarile in afara planului de testare, a fost conceput un sistem de blocare a deformatiilor in afara planului.

Pentru evaluarea parametrilor de raspuns ai nodurilor grinda-stalp si pentru identificarea zonelor de plasticizare, se vor efectua masuratori de ansamblu (globale) si masuratori locale: forta prin dispozitivul de incarcare; deplasarea la partea superioara a stalpului; deplasarea la nivelul reazemelor precum si deformarea panoului de inima al stalpului; deformarea zonei disipative (masurarea sectiunii reduse a grinzii si a placii de beton); deplasarea relativa intre grinda de otel si placa de beton; fortele din suruburi prin utilizarea unor timbre tensometrice plasate in suruburi.

Pentru a caracteriza raspunsul la incarcari de tip seismic se are in vedere considerarea raspunsului monoton, si ciclic al ansamblelor de nod grinda-stalp. In acest scop vor fi efectuate un numar de doua teste, dintre care unul cu incarcare monotona si unul cu incarcare ciclica. Procedura de incarcare ciclica va lua in considerare cresterea amplitudinii ciclurilor.

 

Concluzii

Scopul studiului prezentat este de a dezvolta o tipologie de imbinare fiabila intre grinzile de tip slim-floor si stalpi metalici pentru aplicatii in structurile metalice situate in zone seismice. Intr-o prima etapa, a fost calibrat un model numeric pe baza testului de incovoiere in patru puncte al unui ansamblu de grinda de tip slim-floor. Intr-o a doua etapa, s-a efectuat un studiu de caz pentru investigarea unor configuratii de imbinari grinda-stalp. Investigatiile numerice cu elemente finite au condus la urmatoarele concluzii:

  • in regiunile seismice este posibila considerarea nodurilor cu comportare continua, respectiv semi-continua in mecanismul global de cedare pentru cadrele ne-contravantuite (MRF) sau pentru sistemele structurale duale – la care planseele sunt realizate in varianta slim-floor;
  • modul de cedare al configuratiei de nod grinda-stalp cu sectiunea redusa in placa de otel inferioara – a fost caracterizat de formarea unei articulatii plastice ductile in grinda. In mod diferit, configuratia fara sectiunea redusa a placii a condus la cedarea randurilor de suruburi solicitate la intindere printr-un mod de cedare fragil. Din aceasta perspectiva, suruburile din cadrul imbinarii trebuie caracterizate de un raspuns elastic;
  • influenta placii de beton este importanta la momente incovoietor pozitive, contribuind la cresterea globala atat a rigiditatii, cat si a rezistentei la incovoiere. Influenta placii din beton s-a dovedit mai putin importanta sub momente incovoietoare negative, caz in care capacitatile mecanice ale imbinarii se bazeaza in principal pe componente din otel, inclusiv armaturile din placa de beton;
  • prezenta placii din beton armat duce la o crestere a rezistentei si a rigiditatii. Armatura inclinata si conectorii de tip concrete-dowels contribuie la mecanismul de transfer al incarcarii prin asigurarea conexiunii dintre placa de beton si betonul situat intre talpile grinzii metalice. O crestere semnificativa a armaturii longitudinale va conduce la o rezistenta sporita a momentului incovoietor negativ;
  • panta descendenta a curbelor moment-rotire scade usor dupa atingerea rezistentei maxime datorita reducerii bratului de levier in zona de imbinare cauzate de strivirea betonului la compresiune si coborarea centrului de compresiune.

Pe baza investigatiilor, s-a demonstrat faptul ca grinzile de tip slim-floor pot fi adaptate la structuri anti-seismice, iar aspectul cheie este legat de comportamentul imbinarilor grinda-stalp. Activitatile de cercetare aflate in curs de desfasurare si cele viitoare constau in: (i) incercari experimentale; (ii) calibrarea modelelor numerice si studiul parametric pentru imbunatatirea configuratiilor cu plansee slim-floor si (iii) analize numerice structurale pentru imbunatatirea aplicabilitatii acestor sisteme.

 

Bibliografie

[1] Arcelor Mittal, „Slim-floor – innovative concept for floors”. Long Carbon Europe Sections & Merchant Bars;

[2] Hauf, G., „Trag- und Verformungsverhalten von Slim-Floor Trägern unter Biegebeanspruchung“, 2010;

[3] Braun, M., Obiala, R., Odenbreit, C., Hechler, O., „Design and Application of a new Generation of Slim-Floor Construction”, 7th European Conf. on Steel & Composite Structures, Naples, Italy, 2014;

[4] Malaska, M., „Behaviour of a Semi-Continuous Beam-Column Connection for Composite Slim Floors”, Ph.D. Thesis, Espoo, Finland, ISBN 951-22-5224-4, 2000;

[5] Wang, Y., Yang, L., Shi, Y., Zhang, R., „Loading capacity of composite slim frame beams”. Journal of Constructional Steel Research, 65, 2009;

[6] Bernuzzi, C., Gadotti, F., Zandonini, R., „Semi-continuity in slim floor steel–concrete composite systems”, 1st European Conference on Steel Structures. Eurosteel 1995;

[7] Vulcu, C., Don, R., Ciutina, A., Dubina, D., „Numerical investigation of moment – resisting slim-floor beam-to-column connections”. 8th International Conference on Composite Construction in Steel and Concrete (CCVIII 2017), July 30 – August 2, 2017, Spring Creek Ranch in Jackson, Wyoming (USA);

[8] Vulcu, C., Don, R., Ciutina, A. 2018. Semi-continuous beam-to-column joints for slim-floor systems in seismic zones. 12th International Conference on Advances in Steel-Concrete Composite Structures (ASCCS 2018). Universitat Politècnica de València, València, Spain, June 27-29.
(Doi: http://dx.doi.org/10.4995/ ASCCS2018.2018.7199);

[9] EN 1994-1-1. Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures – Part 1: General rules and rules for buildings, Brussels, Belgium, 2004;

[10] EN 1998-1-1. Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance – Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings, Brussels, Belgium, 2004;

[11] Abaqus v6.13 [Computer software]. Dassault Systèmes, Waltham, MA;

[12] Dubina, D., et al. „High strength steel in seismic resistant building frames”, Final Rep. Grant No. RFSR-CT-2009-00024, RFCS Publications, European Commission, Bruxelles, 2015.

 

(Lucrare prezentata in cadrul celei dea 16a „Conferinte Nationale de Constructii Metalice – CM162019”, Timisoara, 1314 iunie 2019)

 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 172 – august 2020, pag. 48

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: https://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2020/08/01/imbinari-grinda-stalp-pentru-sisteme-de-tip-slim-floor-in-zone-seismice-investigatii-numerice-si-programul-experimental/

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa de email nu va fi publicata.