Punching Strength of Flat Slabs with Unbraced Shear Reinforcement

This paper analyzes the punching strength of concrete flat slabs with shear reinforcement that does not embrace flexural reinforcement. This paper also reports the results of tests of slabs without shear reinforcement. Finally, this paper shows some comparisons of tests of similar slabs without shear reinforcement and slabs with different types of shear reinforcement. The obtained results show that the use of shear reinforcement elements without embracement in the flexural reinforcement improves the punching strength of reinforced concrete flat slabs.

Numerical simulation of the punching shear behaviour of self-compacting fibre reinforced flat slabs

This paper presents the numerical simulations of the punching behaviour of centrally loaded steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) flat slabs. Eight half scaled slabs reinforced with different content of hooked-end steel fibres (0, 60, 75 and 90 kg/m3) and concrete strengths of 50 and 70 MPa were tested and numerically modelled. Moreover, a total of 54 three-point bending tests were carried out to assess the post-cracking flexural tensile strength. All the slabs had a relatively high conventional flexural reinforcement in order to promote the occurrence of punching failure mode. Neither of the slabs had any type of specific shear reinforcement rather than the contribution of the steel fibres. The numerical simulations were performed according to the Reissner-Mindlin theory under the finite element method framework. Regarding the classic formulation of the Reissner-Mindlin theory, in order to simulate the progressive damage induced by cracking, the shell element is discretized into layers, being assumed a plane stress state in each layer. The numerical results are, then, compared with the experimental ones and it is possible to notice that they accurately predict the experimental force-deflection relationship. The type of failure observed experimentally was also predicted in the numerical simulations.

Assessment of the effectiveness of steel fibre reinforcement for the punching resistance of flat slabs by experimental research and design approach

The present paper deals with the experimental assessment of the effectiveness of steel fibre reinforcement in terms of punching resistance of centrically loaded flat slabs, and to the development of an analytical model capable of predicting the punching behaviour of this type of structures. For this purpose, eight slabs of 2550 x 2550 x 150 mm3 dimensions were tested up to failure, by investigating the influence of the content of steel fibres (0, 60, 75 and 90 kg/m3) and concrete strength class (50 and 70 MPa). Two reference slabs without fibre reinforcement, one for each concrete strength class, and one slab for each fibre content and each strength class compose the experimental program. All slabs were flexurally reinforced with a grid of ribbed steel bars in a percentage to assure punching failure mode for the reference slabs. Hooked ends steel fibres provided the unique shear reinforcement. The results have revealed that steel fibres are very effective in converting brittle punching failure into ductile flexural failure, by increasing both the ultimate load and deflection, as long as adequate fibre reinforcement is assured. An analytical model was developed based on the most recent concepts proposed by the fib Mode Code 2010 for predicting the punching resistance of flat slabs and for the characterization of the behaviour of fibre reinforced concrete. The most refined version of this model was capable of predicting the punching resistance of the tested slabs with excellent accuracy and coefficient of variation of about 5%.

Punching Shear Behavior of UHPC Flat Slabs

At the Institute of Structural Engineering of the Faculty of Civil Engineering, Kassel University, series tests of slab-column connection were carried out, subjected to concentrated punching load. The effects of steel fiber content, concrete compressive strength, tension reinforcement ratio, size effect, and yield stress of tension reinforcement were studied by testing a total of six UHPC slabs and one normal strength concrete slab. Based on experimental results; all the tested slabs failed in punching shear as a type of failure, except the UHPC slab without steel fiber which failed due to splitting of concrete cover. The post ultimate load-deformation behavior of UHPC slabs subjected to punching load shows harmonic behavior of three stages; first, drop of load-deflection curve after reaching maximum load, second, resistance of both steel fibers and tension reinforcement, and third, pure tension reinforcement resistance. The first shear crack of UHPC slabs starts to open at a load higher than that of normal strength concrete slabs. Typically, the diameter of the punching cone for UHPC slabs on the tension surface is larger than that of NSC slabs and the location of critical shear crack is far away from the face of the column. The angle of punching cone for NSC slabs is larger than that of UHPC slabs. For UHPC slabs, the critical perimeter is proposed and located at 2.5d from the face of the column. The final shape of the punching cone is completed after the tension reinforcement starts to yield and the column stub starts to penetrate through the slab. A numerical model using Finite Element Analysis (FEA) for UHPC slabs is presented. Also some variables effect on punching shear is demonstrated by a parametric study. A design equation for UHPC slabs under punching load is presented and shown to be applicable for a wide range of parametric variations; in the ranges between 40 mm to 300 mm in slab thickness, 0.1 % to 2.9 % in tension reinforcement ratio, 150 MPa to 250 MPa in compressive strength of concrete and 0.1 % to 2 % steel fiber content. The proposed design equation of UHPC slabs is modified to include HSC and NSC slabs without steel fiber, and it is checked with the test results from earlier researches.

Analysis of punching of a reinforced concrete slab within IRIS_2012

As part of the IRIS_2012 international benchmark, simulations were conducted to analyse impacts on reinforced concrete slabs by both rigid and deformable missiles. The analytical results were compared with physical tests conducted by the Technical Research Center VTT of Finland. In the impact discussed here, a rigid missile perforates the concrete slab. The missile is a thick steel tube filled with concrete with a total mass of 47.4 kg and strikes the target at 136 m/s. The target is a 250 mm thick, reinforced concrete slab that spans 2 m by 2 m and is held in a rigid supporting frame. Characterisation tests were provided for calibration of the parameters of the concrete models selected by the participants. Having reproduced those tests, the authors developed models for the slab and the missile. A damaged plasticity model was used for the concrete and the rebars were explicitly represented. The results obtained were very satisfactory in respect of the damage patterns caused in the concrete and the reinforcement; also, the calculated and measured values of the energy spent by the missile in perforating the slab differed by only 4%.

Analysis of Combined Bending and Punching Tests of Reinforced Concrete Slabs within IMPACT III Project

The paper reports on a collaborative effort between the Swiss Federal Nuclear Safety Inspectorate (ENSI) and their consultants Principia and Stangenberg. As part of the IMPACT III project, reduced scale impact tests of reinforced concrete structures were carried out. The simulation of test X3 is presented here and the numerical results are compared with those obtained in the test, carried out in August 2013. The general object is to improve the safety of nuclear facilities and, more specifically, to demonstrate the capabilities of current simulation techniques to reproduce the behaviour of a reinforced concrete structure impacted by a soft missile. The missile is a steel tube with a mass of 50 kg and travelling at 140 m/s. The target is a 250 mm thick, 2,1 m by 2,1 m reinforced concrete wall, held in a stiff supporting frame. The reinforcement includes both longitudinal and transverse rebars. Calculations were carried out before and after the test with Abaqus (Principia) and SOFiSTiK (Stangenberg). In the Abaqus simulation the concrete is modelled using solid elements and a damaged plasticity formulation, the rebars with embedded beam elements, and the missile with shell elements. In SOFiSTiK the target is modelled with non-linear, layered shell elements for the reinforcement on both sides; non-linear shear deformations of shell/plate elements are approximately included. The results generally indicate a good agreement between calculations and measurements.

Punching shear of slab-column connection in flat plate construction

The flat plate system is currently widely used in construction. It permits architectural flexibility, more clear space, less building height, easier formwork, and shorter construction time. However, there remains the problem of brittle punching failure due to the transfer of shearing forces and unbalanced moments at the flat plate-column connection. It is the purpose of this paper to investigate the effects of various interdependent factors that govern the punching shear resistance and behaviour of the flat plate-column connection, as well as their inclusion in current Codes.

The effects of the punching process upon the magnetic properties of steel laminations

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Dimensionamento à punção em apoios internos de lajes protendidas sem aderência

Esta dissertação trata da punção em lajes protendidas com cordoalhas não aderentes, para pilares internos, calculadas através das normas ABNT NBR 6118:2007, ABNT NBR 6118:2014, EN 1992-1-1:2004 e ACI 318-11. Ao longo do trabalho, são apresentados dimensionamentos à punção através desses códigos a fim de se obter uma análise comparativa dos resultados. Além disso, são expostas três situações de provas de carga não destrutivas para punção, realizadas em lajes reais. Os casos, verificados a partir da comparação entre as quatro normas, servem de base para avaliações sobre o nível de segurança estrutural entre os dimensionamentos. Após as análises teóricas, conclui-se que, no geral, o EC2:2004 e a NBR 6118:2014 são os códigos que geram os resultados menos conservadores no cálculo das armaduras de punção. Já o ACI 318-11 e a NBR 6118:2007 obtêm os resultados mais conservadores para esse dimensionamento. Quando considerados os carregamentos máximos sem utilização de armadura de punção, a norma americana se destaca, obtendo valores comparáveis aos do EC2:2004 e da NBR 6118:2014. A NBR 6118:2007 resulta em dimensionamentos sempre mais conservadores.

Projeto de estruturas do edifício administrativo de um polo logístico em Viana-Angola

O objetivo deste trabalho consiste em efetuar o dimensionamento estrutural de um edifício em betão armado, contemplando as diferentes fases, desde a conceção inicial, com a definição do modelo estrutural e escolha criteriosa dos elementos e soluções constituintes, até à fase final de dimensionamento, considerando para além das cargas gravíticas, a ação do vento e a ação sísmica. No âmbito deste trabalho considerou-se o dimensionamento de elementos estruturais nomeadamente, sapatas, paredes, pilares, vigas e lajes, com a verificação de segurança à flexão simples, flexão composta, esforço transverso e punçoamento, consoante a necessidade de cada elemento. Para tal, foi desenvolvido uma folha de cálculo automático (Macro) que permite a verificação da capacidade resistente de secções, à flexão simples e ao esforço transverso, quer em elementos com ou sem armadura de esforço transverso. Os esforços atuantes que estiveram na origem das verificações estruturais foram calculados com base na aplicação de um programa tridimensional de elementos finitos, nomeadamente o programa de cálculo ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS. Os Critérios Gerais de Dimensionamento considerados, com base na regulamentação em vigor em Portugal – RSA, REBAP e Eurocódigos, bem como as Hipóteses de Cálculo consideradas na verificação aos estados limites últimos dos elementos estruturais são detalhadamente enunciados ao longo do trabalho. Os desenhos de elementos estruturais dimensionados, bem como os desenhos de dimensionamento do edifício encontram-se em Anexo.

Pesquisa experimental para avaliação da eficiência da fibra de aço na resistência à punção de lajes lisas reforçadas simetricamente

O presente artigo é dedicado à avaliação experimental da eficiência do reforço com fibra de aço em termos da resistência à punção de lajes lisa carregadas simetricamente. Para este fim, oito lajes de 2550 x 2550 x 150 mm3 foram ensaiadas até a ruína, onde se investigou a influência do consumo de fibras (0, 60, 75 e 90 kg/m3) e da resistência do concreto (50 e 70 MPa). Duas lajes de referência, sem fibras, uma para cada classe de resistência do concreto, e uma laje para cada consumo de fibra e para cada classe de resistência do concreto compuseram o programa experimental. Todas as lajes foram armadas à flexão com barras de aço (armadura convencional) de forma a garantir a ruína por punção das lajes de referência. O único reforço transversal foi garantido pelas fibras de aço hooked ends com comprimento e diâmetro de 37 e 0,55 mm, respectivamente, e resistência à tração de aproximadamente 1100 MPa. Os resultados revelaram que as fibras de aço são muito eficientes em converter uma ruína frágil por cisalhamento em uma ruína dúctil por flexão, aprimorando ambos, carga de ruptura e deslocamento. Neste artigo o programa experimental é abordado em detalhe e os principais resultados são apresentados e discutidos.

Modelo para calcular a contribuição da fibra na resistência à punção de lajes em concreto reforçado com fibra de aço

Neste artigo, formulações analíticas são desenvolvidas para calcular a resistência à punção de lajes lisas de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) e que também são reforçadas à flexão por barras de aço (reforço convencional). A partir de análises estatísticas sobre um banco de dados que reúne resultados experimentais de caracterização do comportamento pós-fissuração do CRFA, equações são estabelecidas para avaliar parâmetros da resistência residual à tração na flexão (fRi) a partir de informações fundamentais que caracterizam a fibra de aço. O parâmetro de resistência fRi, proposto pelo ModelCode10 foi usado para definir a lei tensão-abertura da fissura (σ-w) que simula o mecanismo de reforço da fibra em um material cimentício. A segunda parte do artigo descreve uma formulação analítica baseada nos conceitos propostos por Muttoni e Ruiz, onde a lei σ-w é convenientemente integrada para simular a contribuição da fibra de aço na resistência à punção de lajes em CRFA. A partir de um banco de dados, composto de 154 ensaios de punção, o bom desempenho da proposta apresentada é demonstrado. O desempenho do modelo também é evidenciado comparando-se os seus resultados a outros modelos.

Modelo para calcular a resistência à punção de lajes lisas simétricas reforçadas com fibras de aço

O presente artigo discute a metodologia de um novo modelo para calcular a resistência à punção simétrica de lajes de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA). O modelo é fundamentado na teoria da fissura crítica de cisalhamento de Muttoni e seus coautores e na proposta do ModelCode10 para simular o comportamento pós-fissuração do CRFA. O desempenho do modelo é avaliado a partir de um banco de dados (BD), coletado da literatura técnica, que totaliza 154 lajes. Os resultados são avaliados em função da precisão, da dispersão e do nível de conservadorismo, a partir do parâmetro λ=Vexp/Vteo, sendo Vexp e Vteo, respectivamente, os resultados obtidos do BD e do modelo. Finalmente, para confirmar o desempenho do modelo, os seus resultados são comparados a outros 7 modelos da literatura técnica e ambos são classificados segundo o critério modificado de Collins, o Demerit Points Classifications – DPC.

Desenvolvimento e optimização de uma ferramenta para o corte de papel

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica