Application of the Critical Shear Crack Theory for calculation of the punching shear capacity of lightweight aggregate concrete slabs

• Autorzy: Gołdyn Michał

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.144159

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie teorii krytycznej rysy ukośnej do określania nośności na przebicie płyt wykonanych z lekkich betonów kruszywowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper discusses the principles of the Critical Shear Crack Theory (CSCT) in terms of the punching shear analysis of flat slabs made from lightweight aggregate concretes. The basic assumptions of the CSCT were discussed, explaining the differences with regard to the calculation of ordinary concrete flat slabs, relating mainly to the adopted failure criterion associated with ultimate slab rotation. Taking into account the observations and conclusions from the previous experimental investigations, it was confirmed, that contribution of lightweight aggregate particles in the aggregate interlock effect should be ignored, due to possibility of aggregate breaking. However, the analysis of the profile of failure surface confirmed, that particles of the natural fine aggregate increase the roughness of the surface and should be included by formulating failure criterion for LWAC slabs. The theoretical load-rotation relationships were compared with the results of measurements, confirming good agreement in most cases. The theoretical ultimate rotations were lower on average by about 11% than the experimental ones. The analysis of 57 results of the experimental investigations on punching shear of LWAC slabs made from various types of artificial aggregates showed a very good agreement with predictions of the CSCT. The obtained ratio of the experimental to theoretical load was 1.06 with a coefficient of variation of 9.1%. The performed parametric study demonstrated a low sensitivity of the correctness of the CSCT predictions to a change in a fairly wide range of parameters such as: the longitudinal reinforcement ratio, concrete compressive strength and concrete density.

PL

Jednym z podstawowym problemów przy projektowaniu stropów płaskich z lekkich betonów kruszywowych jest zapewnienie odpowiedniej nośności na przebicie stref podporowych. Mimo niewątpliwych zalet, do których można zaliczyć mniejszy ciężar objętościowy czy też lepsze właściwości izolacyjne, lekkie betony kruszywowe charakteryzują się mniejszą o 10 do nawet ponad 30% wytrzymałością na rozciąganie w porównaniu z betonami zwykłymi o zbliżonej wytrzymałości na ściskanie. W odróżnieniu od obowiązującej obecnie normy EN 1992-1-1, bazującej na formułach pół-empirycznych, za podstawę określania nośności płyt na przebicie w procedurach fib Model Code 2010 i prEN 1992-1-1 przyjęto podejście mechaniczne, nawiązujące do Teorii Krytycznej Rysy Ukośnej (Critical Shear Crack Theory - CSCT). Teoria ta zakłada, że wskutek powstania rys ukośnych, mechanizm przenoszenia sił poprzecznych staje się zależny głównie od efektu zazębiania kruszywa, resztkowej wytrzymałości betonu na rozciąganie, oporu ścinania betonu w strefie ściskanej oraz mechanizmu dyblującego zbrojenia głównego. Nośność na przebicie została powiązana ze zdolnością płyty do deformacji, reprezentowanej w przypadku płyt smukłych przez kąt obrotu ψ, który może zostać wyrażony jako całka z krzywizny płyty w rozważanej strefie.

Słowa kluczowe

EN

punching shear; lightweight aggregate concrete; aggregate interlock; particle size; critical shear crack theory

PL

rozmiar ziaren; przebicie; beton lekki kruszywowy; zazębianie kruszywa; teoria krytycznej rysy ukośnej

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 1
• Strony: 55--70
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Gołdyn Michał

• Lodz University of Technology, Department of Concrete Structures, Łódź, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7791-1940

Bibliografia

• [1] M.N. Haque, H. Al-Khaiat, and O. Kayali, “Strength and durability of lightweight concrete”, Cement and Concrete Composites, vol. 26, no. 4, pp. 307-314, 2004, DOI: 10.1016/S0958-9465(02)00141-5.
• [2] C.L. Roberts-Wollmann, T. Banta, R. Bonetti, and F. Charney, “Bearing strength of lightweight concrete”, ACI Materials Journal, vol. 103, no. 6, pp. 459-466, 2006, DOI: 10.14359/18224.
• [3] J.A. Bogas and R. Nogueira, “Tensile strength of structural expanded clay lightweight concrete subjected to different curing conditions”, KSCE Journal of Civil Engineering, vol. 18, no. 6, pp. 1780-1791, 2014, DOI: 10.1007/s12205-014-0061-x.
• [4] EN 1992-1-1 EN 1992-1-1: Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings. Brussels: European Committee for Standardisation, 2004.
• [5] fib Bulletin 66. Model Code 2010 - Final draft, vol. 2. 2012.
• [6] CEN, prEN 1992-1-1 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules - Rules for buildings, bridges and civil engineering structures. 2021.
• [7] A. Muttoni, “Punching shear strength of reinforced concrete slabs without transverse reinforcement”, ACI Structural Journal, vol. 105, no. 4, pp. 440-450, 2008, DOI: 10.14359/19858.
• [8] A. Muttoni, M. Fernández Ruiz, and J. Simões, “Recent improvements of the Critical Shear Crack Theory for punching shear design and its simplification for code provisions”, in fib Congress 2018. Better, Smarter, Stronger. Melbourne, 2018, pp. 1-10.
• [9] S. Kinnunen and H. Nylander, Punching of concrete slabs without shear reinforcement. Göteborg: Royal Institute of Technology, 1960, no. 158.
• [10] K.S. Youm, J.J. Kim, and J. Moon, “Punching shear failure of slab with lightweight aggregate concrete (LWAC) and low reinforcement ratio”, Construction and Building Materials, vol. 65, pp. 92-102, 2014, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.04.097.
• [11] A. Caratelli, S. Imperatore, A. Meda, and Z. Rinaldi, “Punching shear behavior of lightweight fiber reinforced concrete slabs”, Composites Part B: Engineering, vol. 99, pp. 257-265, 2016, DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.06.045.
• [12] A. Muttoni and J. Schwartz, “Behaviour of beams and punching in slabs without shear reinforcement”, in IABSE Colloquium, vol. 62, pp. 703-708, 1991, DOI: 10.5169/seals-47705.
• [13] A. Muttoni, M. Fernández Ruiz, and J. T. Simões, “The theoretical principles of the critical shear crack theory for punching shear failures and derivation of consistent closed-form design expressions”, Structural Concrete, vol. 19, no. 1, pp. 174-190, 2018, DOI: 10.1002/suco.201700088.
• [14] E.G. Sherwood, E.C. Bentz, and M.P. Collins, “Effect of aggregate size on beam-shear strength of thick slabs”, ACI Structural Journal, vol. 105, no. 1, pp. 115-116, 2008.
• [15] M. Gołdyn and T. Urban, “Hidden Capital as an Alternative Method for Increasing Punching Shear Resistance of LWAC Flat Slabs”, Archives of Civil Engineering, vol. 65, no. 4, pp. 309-328, 2019, DOI: 10.2478/ace-2019-0062.
• [16] M. Gołdyn, Ł. Krawczyk, W. Ryżyński, and T. Urban, “Experimental Investigations on Punching Shear of Flat Slabs Made from Lightweight Aggregate Concrete”, Archives of Civil Engineering, vol. 64, no. 4, pp. 293-306, 2018, DOI: 10.2478/ace-2018-0058.
• [17] T. Urban, M. Gołdyn, Ł. Krawczyk, and Ł. Sowa, “Experimental investigations on punching shear of lightweight aggregate concrete flat slabs”, Engineering Structures, vol. 197, art. no. 109371, 2019, DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109371.
• [18] R.C. Elstner and E. Hognestad, “Shearing Strength of Reinforced Concrete Slabs”, ACI Journal Proceedings, vol. 53, no. 7, pp. 29-58, 1956.
• [19] C. Sun-Kyu, J.-W. Kwark, J.-M. Lee, and Dae-Joong-Moon, “Punching Shear Behavior of High-strength Lightweight Concrete Slab Under Concentrated Load”, KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research, vol. 26, no. 1A, pp. 219-228, 2006.
• [20] A. Tomaszewicz, High Strength Concrete: SP2 - Plates and Shells Report 2.3. Punching Shear Capacity of Reinforced Concrete Slabs. SINTEF Report No. STF70 A93082. SINTEF, 1993.
• [21] M. Osman, H. Marzouk, and S. Helmy, “Behavior of high-strength lightweight concrete slabs under punching loads”, ACI Structural Journal, vol. 97, no. 3, pp. 492-498, 2000, DOI: 10.14359/4644.
• [22] J.L. Clarke and F.K. Birjandi, “Punching shear resistance of lightweight aggregate concrete slabs”, Magazine of Concrete Research, vol. 42, no. 152, pp. 171-176, 1990, DOI: 10.1680/macr.1990.42.152.171.
• [23] M. Mizukoshi, S. Matsui, and H. Higashiyama, “Punching shear strength of RC slabs using lightweight concrete”, in Challenges, Opportunities and Solutions in Structural Engineering and Construction, N. Ghafoori, Ed. CRC Press, 2009, pp. 111-118.
• [24] J.L. Clarke, “Shear strength of lightweight aggregate concrete beams: Design to BS 8110”, Magazine of Concrete Research, vol. 39, no. 141, pp. 205-213, 1987, DOI: 10.1680/macr.1987.39.141.205.