Demountable shear connections with bolts and welded headed studs in steel-concrete composite structures

Abstract

The reuse of constructional elements or entire structures is an important approach in the construction industry that follows the concept of sustainable development. Steel-concrete composite structures enable the efficient use of material and savings in material consumption. However, widespread steel- concrete composite beams with welded headed stud shear connectors do not have the demountability feature and therefore cannot be entirely reused. In the past few decades, much research in the field of steel-concrete composite structures has been focused on the development and investigations of demountable floor systems. A further contribution to that field is provided in this thesis. A novel demountable shear connection with bolts and welded headed studs is proposed. The suggested connection is applicable in composite concrete slabs cast in open trough profiled steel sheeting. Welded headed studs are installed in sheeting ribs, whereas bolts are placed between ribs. Implementation of the additional plate or angles between the beam flange and the concrete slab is required. During the building deconstruction, bolts are removed and the composite concrete slab is easily separated from the steel beam with the possibility of being installed again. Destruction methods are avoided and the entire floor structure including concrete slabs and steel beams may be reused in another location in the same configuration as during the first life cycle. The aim of the study is to promote the novel demountable connection with welded headed studs and bolts. The objectives of the research are to describe the demountable connection response to the shear load at the point of resistance and ductility, to identify failure mechanisms and propose instructions for the design. The developed demountable connection is examined by static push-out tests, conducting experimental and numerical investigations. The experimental work covers 20 push-out test specimens divided into eight series. Different configurations of the demountable steel-concrete connections are experimentally investigated: connections with continuous and discontinuous slabs over the supporting beam, connections with and without stirrup reinforcement around headed studs, connections with the angle between profiled sheeting ribs and the beam of 45°, 60° and 90°. The resistance, ductility and stiffness of demountable connections are compared with corresponding non- demountable connections with welded headed studs. According to the experimental research, the appropriate numerical finite element models are developed and used for a detailed analysis of the connection response and further parametric studies. A range of parameters that might influence the connection response is covered by parametric studies, including the headed stud diameter and height, bolt grade and diameter, concrete class, plate and angle thickness, the distance between the headed stud and slab edge, stirrup reinforcement diameter and position, the angle between sheeting ribs and the beam. The key influential parameters are identified and their effects on the connection performance are quantified. According to the wide set of the obtained data, conclusions regarding the connection response are drawn. Design recommendations for demountable shear connections with bolts and welded headed studs are proposed.

Принцип поновне употребе конструктивних елемената или целе конструкције у грађевинарству у складу је са концептом одрживог развоја. Спрегнуте конструкције од челика и бетона омогућавају ефикасну употребу материјала и уштеде у потрошњи. Међутим, спрегнуте греде од челика и бетона са завареним можданицима са главом које су у широкој примени, нису демонтажне и не могу се поново употребити. У претходних неколико деценија, многа истраживања у области спрегнутих конструкција бавила су се развојем и испитивањем демонтажних међуспратних конструкција. Допринос наведеној области дат је кроз ову дисертацију. Предложен је нови демонтажни смичући спој са завртњевима и можданицима са главом, као решење применљиво у спрегнутим плочама са трапезним профилисаним лимом. Постављање можданика предвиђено је у ребрима профилисаног лима, док се завртњеви постављају између, у превојима лима. Неопходна је примена додатног челичног лима или угаоника на контакту између ножице челичне греде и бетонске плоче. Током демонтаже, завртњеви се уклањају и спрегнута плоча се једноставно раздваја од челичног профила, уз могућност поновног коришћења. На овај начин, деструктивне методе су избегнуте и комплетна међуспратна контрукција се може поново употребити на другој локацији у истом облику као приликом првог животног циклуса. Циљ научног истраживања је реализација иновативног демонтажног смичућег споја са можданицима са главом и завртњевима. Циљ је описати понашање демонтажног споја при дејству смичућег оптерећења у погледу носивости и деформабилности, идентификовати механизме лома и дати прорачунске препоруке. Демонтажни смичући спој је испитиван путем тестова смицања применом експерименталних и нумеричких метода. Експериментално испитивање обухвата 20 тестова смицања подељених у осам серија. Испитиване су различите конфигурације демонтажног споја: спојеви са континуалном и дисконтинуалном плочом изнад ослоначке греде, спојеви са и без узенгија постављених око можданика, спојеви са угловима између ребара профилисаног лима и осе носача од 45°, 60° и 90°. Носивост, дуктилност и крутост демонтажних спојева упоређене су са одговарајућим стандардним спојевима са завареним можданицима са главом. На основу експерименталних резултата, формирани су одговарајући нумерички модели, који су потом коришћени за детаљну анализу понашања споја и даљу параметарску анализу. Параметарском анализом обухваћени су различити параметри који би могли утицати на понашање споја, укључујући: пречник и висину можданика, пречник и класу чврстоће завртња, класу бетона, дебљину лима и угаоника, растојање између можданика и ивице бетонске плоче, пречник и позицију узенгија, угао између ребара профилисаног лима и осе носача. Идентификовани су кључни утицајни параметри и њихов ефекат је квантификован. На основу широког скупа добијених резултата, донети су закључци по питању понашања смичућег споја. Такође, дате су препоруке за пројекотовање демонтажног споја са завртњевима и можданицима са главом.