Behaviour of shear connections realised by connectors fastened with cartridge fired pins

Abstract

New demands towards fast construction resulted in development of different types of prefabricated concrete slabs and shear connectors. Composite action between steel beam and concrete slabs can be achieved with group positioning of shear connectors in envisaged openings of prefabricated concrete slabs. The aim of presented investigation is to promote application of mechanically fastened shear connectors in prefabricated concrete slabs. X-HVB 110 shear connectors fastened to the steel base material with X-ENP-21 HVB cartridge fired pins are used in experimental and numerical analysis presented in this thesis. Presented investigation should improve understanding of X-HVB shear connectors behaviour which is currently based on their application in solid or composite concrete slabs. Also, this investigation should result in extension of currently small basis of experimental results, which are mostly part of the technical reports and are considered as proprietary. Feasibility study presented in this work highlighted the importance of further investigation of X-HVB shear connectors in group arrangement, at distances smaller than minimal recommended, in order to satisfy current recommendations for minimal partial shear connection degree in composite floor structures with profiled steel sheeting. Detail examination of X-HVB 110 shear connectors positioned in envisaged openings of prefabricated composite slabs is performed. The experiment aims at understanding the effects of the spacing between shear connectors, orientation of shear connectors relative to the shear force direction and installation power level used for installation of cartridge fired pins, when they are used for prefabricated composite construction. In order to generate all structural performance data, this investigation included experimental investigation of cartridge fired pins performed through shear and tension tests. Extensive finite element analysis is conducted in this research in order to develop and calibrate FE models of push-out test specimens of X-HVB 110 shear connectors, and shear and tension tests of cartridge fired pins, based on the results of presented experimental research. The novelty in the FE modelling approach developed in this study is phenomenological simulation of installation procedure of cartridge fired pins resulting in preloading of the pins and interaction with iii the base material. Numerical FE models are developed through extensive calibration of main parameters which are introduced in FE simulation of firing the pins in tension tests and further sensitivity study. Parametric study of push-out FE models is performed for X-HVB 110 shear connectors through variation of concrete and steel base material properties. Main failure mechanisms which are obtained through experimental investigation of X-HVB 110 shear connectors in prefabricated concrete slabs are related to deformation capacity and pull-out of cartridge fired pins from the steel base material. Developed FE models of push-out test series matched the failure mechanisms obtained through experimental investigation. Pull-out of cartridge fired pins in FE models is defined by equivalent compressive contact stresses and friction at the interface between the base material and pins modelled as separate parts. This resembles the physical mechanism of the load transfer of cartridge fired pins and is a recommended modelling procedure as it gives good agreement with experimental results. Presented FE modelling approach of installation procedure of cartridge fired pins highlights the clamping of the fastener in steel base material as the most dominant anchorage mechanism. Prediction models for pull-out resistance of cartridge fired pins loaded in tension and shear resistance of X-HVB shear connectors are proposed based on the presented results of experimental and numerical investigation.

Савремени трендови у грађевинарству се најчешће огледају у повећаним захтевима за убрзаном градњом, што је утицало на развој нових вртса префабрикованих бетонских плоча и средстава за спрезање. Спрезање префабрикованих бетонских плоча и челичних гредних носача најчешће се постиже постављањем можданика у отворе у бетонској плочи, који су за то предвиђени у процесу префабрикације. Предмет научног истраживања је понашање смичућих спојева остварених помоћу X-HVB можданика у префабрикованим бетонским плочама. X-HVB 110 можданици повезани су са челичним профилима уз помоћ два X-ENP-21 HVB механичка спојна средства (ексера) експлозивним упуцавањем. Приказано испитивање треба да допринесе бољем разумевању понашања X-HVB можданика у смичућим спојевима, које је тренутно засновано на испитивањима у пуним и спрегнутим бетонским плочама на профилисаним лимовима. Такође, испитивање треба да допринесе проширењу тренутно мале базе експерименталних испитивања, којa су највећим делом садржанa у техничким извештајима који нису лако доступни истраживачима. Упоредна анализа носивости заварених можданика са главом и X-HVB можданика у спрегнутим плочама са профилисаним лимом, презентована у овом раду, нагласила је потребу за додатним испитивањима ове врсте можданика када су они груписани на растојањима која су мања од минимално препоручених, како би се задовољиле тренутне препоруке у погледу минималног процента парцијалног смичућег споја. Детаљно експериментално испитивање X-HVB 110 можданика постављених у отворе префабрикованих бетонских плоча спорведно је у овом раду. Испитивање је обухватило утицај положаја и међусобног растојања можданика у односу на правац смичуће силе као и различите јачине уградње ексера. У циљу јасног сагледавања понашања ове врсте можданика, експеримeнтално испитивање ескера је спроведено кроз тестове смицања и затезања. Нумерички модели базирани на методи коначних елемената развијени су за потребе симулирања смичућих спојева са X-HVB 110 можданицима као и ескера са експлозивним упуцавањем који су оптерећени на смицање и затезање и v калибрисани су према резултатима експерименталног испитивања. Симулација уградње ексера са експлозивним упуцавањем која је дефинисана кроз нумеричке моделе резултовала је преднапрезањем ексера и дефинисањем посебних услова интеракције између ексера и основног материјала. Нумерички модели су развијени кроз опсежну калибрацију основних параметара који су кориштени за дефинисање процеса уградње и накнадно су анализирани кроз студију осетљивости спроведну на моделима са X-HVB 110 можданицима. Параметарска анализа спроведена је на моделима смичућих спојева X-HVB 110 можданика кроз промену механичких својстава бетона и основног челичног материјала. Основни модели лома који су се појавили кроз експериментално испитивање повезани су са деформацијом ексера и њиховим извлачењем из основног челичног материјала. Развијени нумерички модели смичућих спојева са X-HVB 110 можданицима потврдили су овакве видове лома. Носивост на извачење ексера из основног челичног материјала дефинисана је кроз еквивалентни напон притиска и коефицијент трења који је развијен на контактној површини између ексера и основног челичног материјала. Овакав начин нумеричког моделирања процеса уградње ескера показао је добро слагање са резултатима експерименталног испитивања и наглашава укљештење ексера у основни челични материјал као најдоминантнији механизам анкеровања. Предиктивни изрази за носивост ексера на извлачење и носивост X-HVB можданика у смичућим спојевима дефинисани су у овом раду на основу презентованог експерименталног и нумеричког испитивања.