Flexural stiffness model for layered concrete elements with partial shear connection
Santrauka
Layered concrete structural elements consist of two or more concrete layers cast at different times and often with varying material properties. These elements can offer significant structural, architectural, and environmental advantages, provided that composite behaviour between the layers is maintained. The key factor governing this composite action is the performance of the interface between the concrete layers. In practice, the interface may exhibit reduced initial stiffness and will inevitably experience stiffness degradation as cracking develops. As the interface loses stiffness, the individual layers begin to perform more independently, leading to a reduction in the overall flexural stiffness of the layered element. Despite this, most current design codes lack an analytical approach for calculating deflections that account for interface partial shear connection, and such methods remain limited in scientific literature. In practice, standard reinforced concrete flexural analysis is typically suggested.
This dissertation proposes an analytical approach to determine the flexural stiffness (deflection) of layered concrete elements, accounting for the varying interface stiffness as the element deforms. The approach begins with an interface behaviour model, which describes the relationship between interface shear stress and layer slip. This model is characterised by four distinct stages of interface behaviour, each governed by different shear mechanisms, interface material properties, and a differential shrinkage effect. It remains applicable from the onset of interface loading through to significant interface deformations. From the shear stress-slip relationship, the variable interface shear stiffness modulus is derived. This modulus is then used in the second stage of the analytical approach: the built-up layers deflection estimation model. This model allows for the calculation of deflection in layered elements while accounting for the stiffness of individual layers, the composite stiffness of the entire element, evolving geometries due to cracking, and the changing interface shear stiffness.
Experimental and numerical analyses were conducted on concrete interfaces and layered concrete elements subjected to bending. The interface analysis provided insights into the effects of concrete strength, connector geometry and strength, differential shrinkage, interface roughness, and its overall geometry on interface strength, stiffness, and the intensity of different shear mechanisms. The analysis of layered beams and slabs clarified the cracking behaviour of individual concrete layers, the distribution of shear stress along the interface, the influence of connector inclination, and layer depth on flexural capacity and cracking patterns. Experimental results were used to validate the proposed analytical approach, showing strong agreement and confirming its effectiveness for analysing layered concrete elements. Sluoksniuotieji gelžbetoniniai konstrukciniai elementai susideda iš dviejų ar daugiau betono sluoksnių, betonuotų skirtingu laiku ir dažnai pasižyminčių skirtingomis medžiagų savybėmis. Šie elementai gali suteikti reikšmingų konstrukcinių, ekonominių ir aplinkosauginių pranašumų, jei užtikrinamas bendras sluoksnių darbas. Pagrindinis veiksnys, lemiantis šią kompozitinę elgseną, yra betono sluoksnių jungties darbas. Realiomis sąlygomis jungtis gali būti mažesnio (nei monolitinio) pradinio standumo. Galiausiai, standumas neišvengiamai mažėja jungčiai pleišėjant. Atskiri sluoksniai pradeda dirbti individualiau, dėl ko mažėja bendras sluoksniuotojo elemento lenkiamasis standumas. Daugumoje dabartinių projektavimo normų ir mokslinėje literatūroje trūksta analitinių įlinkio skaičiavimo metodų, vertinančių dalinį jungties standumą. Vietoj to rekomenduojama standartinė lenkiamo gelžbetoninio elemento analizė.
Disertacijoje siūlomas analitinis metodas sluoksniuotų gelžbetoninių elementų lenkiamajam standumui (įlinkiui) nustatyti, atsižvelgiant į kintantį jungties standumą elementui deformuojantis. Pirmas metodo žingsnis – jungties šlyties standumo modelis, kuris apibūdina santykį tarp jungties šlyties įtempių ir sluoksnių pasislinkimo. Modelis susideda iš keturių jungties elgsenos stadijų. Kiekvienoje stadijoje vertinami skirtingi šlyties mechanizmai. Šiame modelyje taip pat vertinamas ir sluoksnių traukumo skirtumo efektas. Jungties standumo modelis gali būti taikomas nuo jungties apkrovimo pradžios iki žymių jungties deformacijų. Iš žinomo šlyties įtempių ir sluoksnių pasislinkimo santykio nustatomas kintantis jungties šlyties standumo modulis. Šis dydis naudojamas antrajame analitinio metodo etape – sudėtinių sluoksnių modelyje. Šiuo modeliu apskaičiuojamas sluoksniuoto elemento įlinkis, atsižvelgiant į atskirų sluoksnių standumą, viso elemento kompozitinį standumą, kintantį jungties šlyties standumą ir kintančias geometrines charakteristikas dėl sluoksnių pleišėjimo.
Eksperimentinė ir skaitinė analizė atlikta tiriant sluoksnių jungtis ir sluoksniuotus lenkiamus gelžbetoninius elementus. Jungties analizės rezultatai suteikė žinių apie betono stiprumo, jungties inkarų geometrijos ir stiprumo, sluoksnių traukumo skirtumo, jungties šiurkštumo ir jos geometrijos įtaką jungties stiprumui, standumui ir skirtingų šlyties mechanizmų intensyvumui. Lenkiamųjų elementų analizė suteikė žinių apie betono sluoksnių pleišėjimo pobūdį, šlyties įtempių pasiskirstymą jungtyje, inkarų išdėstymo ir sluoksnio storio įtaką lenkiamajai galiai ir pleišėjimo pobūdžiui. Eksperimentiniai rezultatai buvo naudojami siūlomo analitinio metodo validacijai. Dėl artimo eksperimentinių ir analitinių rezultatų sutapimo galima patvirtini pasiūlyto analitinio metodo tinkamumą sluoksniuotų elementų analizei.