Experimental and numerical studies of continuous composite beams taking into consideration slab cracking

Śledziewski, K.

doi:10.17531/ein.2016.4.13

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Experimental and numerical studies of continuous composite beams taking into consideration slab cracking

Autorzy

Śledziewski K.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2016.4.13

Warianty tytułu

Badania doświadczalne i numeryczne zespolonych belek ciągłych z uwzględnieniem zarysowania płyty

Języki publikacji

EN PL

Abstrakty

This paper presents the results of studies conducted on composite beams which function as models of representative bridge deck elements subjected to bending. The adopted type of load and the resulting strain of the analysed system correspond to operating conditions. The subject of the studies was steel and concrete composite beams with fasteners in the form of pins. Experimental tests of girders were carried out on a near real-life scale under the static load corresponding to the operating load. The obtained results were used to build a numerical model using the finite element method. The non-linear concrete damage plasticity model was used to describe the concrete and the elastic-plastic body model was adopted to describe the steel. Two concrete slab – steel beam connection methods were analysed: a continuous connection and a spot connection using rigid fasteners. Next, the validation of the numerical model was performed. A comparison of the selected operating characteristics of the tested systems was made on the basis of the adopted criteria.

Praca prezentuje wyniki badań belek zespolonych, stanowiących modele reprezentatywnych elementów ustrojów nośnych obiektów technicznych (mostów) poddawanych zginaniu. Przyjęty rodzaj obciążenia oraz powstałych deformacji rozpatrywanego układu odpowiada warunkom eksploatacyjnym. Przedmiotem rozważań były belki zespolone typu stal-beton z łącznikami w postaci sworzni. Przeprowadzono badania eksperymentalne dźwigarów w skali zbliżonej do rzeczywistej pod obciążeniem statycznym odpowiadającym obciążeniu eksploatacyjnemu. Otrzymane wyniki posłużyły do budowy modelu numerycznego przy wykorzystaniu metody elementów skończonych. Do opisu betonu wykorzystano nieliniowy model betonu plastycznego ze zniszczeniem, natomiast do opisu stali przyjęto model ciała sprężysto-plastycznego. Przeanalizowano dwa sposoby połączenia płyty betonowej z belką stalową: połączenie ciągłe oraz połączenie punktowe wykorzystując sztywne łączniki. Następnie przeprowadzono walidację przygotowanego modelu numerycznego belki. Dokonano porównania wybranych właściwości eksploatacyjnych badanych ustrojów, w oparciu o przyjęte kryteria.

Słowa kluczowe

composite beam experimental studies numerical modelling concrete damage plasticity model Abaqus operating load operating lifespan

belka zespolona badania eksperymentalne modelowanie numeryczne model betonu plastycznego ze zniszczeniem Abaqus obciążenie eksploatacyjne trwałość

Wydawca

Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne

Czasopismo

Eksploatacja i Niezawodność

Rocznik

2016

Tom

Vol. 18, no. 4

Strony

578--589

Opis fizyczny

Bibliogr. 42 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Śledziewski K.

k.sledziewski@pollub.pl

Department of Road and Bridge Lublin University of Technology ul. Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

1. Abaqus User's Manual. Version 6.12, USA: Dassault Systèmes Simulia Corp, 2012.
2. Bavan M., Baharom S., Mutalib A.A., Osman S.A. Numerical prediction of composite beam subjected to combined negative bending and axial tension. Journal of Engineering Science and Technology 2013; 8(4): 428-447.
3. Biegus A., Lorenc W.: Development of shear connections in steel-concrete composite structures. Civil and Environmental Engineering Reports 2014, 15(4): 23–32.
4. Chen W.F. Plasticity in reinforced concrete. NYC: McGraw-Hill Book Company, 1982.
5. Chen S., Jia Y. Required and available moment redistribution of continuous steel–concrete composite beams. Journal of Constructional Steel Research 2008; 64(2): 167–175, http://dx.doi.org/10.1016/j.jcsr.2007.05.006.
6. Chen S., Jia Y., Wang X. Experimental study of moment redistribution and load carrying capacity of externally prestressed continuous composite beams. Structural Engineering and Mechanics 2009; 31(5): 605–619, http://dx.doi.org/10.12989/sem.2009.31.5.605.
7. Czudek H., Wysokowski A. Twałość mostów drogowych. Warsaw: Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, 2005.
8. Fan J., Nie J., Li Q., Wang H. Long-term behaviour of composite beams under positive and negative bending. I: Experimental study. Journal of Structural Engineering 2010; 136(7): 849-857, http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000175.
9. Fan J., Nie J., Li Q., Wang H. Long-term behaviour of composite beams under positive and negative bending. II: Analytical. Journal of Structural Engineering 2010; 136(7): 858-865, http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000176.
10. Gara F., Ranzi G., Leoni G. Design Expressions for the Effective Width of Composite Steel-Concrete Members. IABSE Symposium Report, IABSE Madrid Symposium: Engineering for Progress, Nature and People 2014; 161–168, http://dx.doi.org/10.2749/222137814814027701.
11. Godycki - Ćwirko T. Mechanika betonu. Warsaw: Arkady, 1980.
12. Gómez Navarro M., Lebet J.-P. Concrete cracking in composite bridges: tests, models and design proposals. Structural Engineering International 2001; 11(3): 184 190, http://dx.doi.org/10.2749/101686601780346922.
13. He J., Liu Y., Chen A., Yoda T. Experimental study on inelastic mechanical behaviour of composite girders under hogging moment. Journal of Constructional Steel Research 2010; 66: 37–52, http://dx.doi.org/10.1016/j.jcsr.2009.07.005.
14. Hernández H., Bonilla J., Rodríguez G. Study of the behaviour of composite beams made of concrete and steel by using numerical simulation. Revista ingeniería de construcción 2014; 29(1): 5–21, http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732014000100001.
15. Jankowiak I., Madaj A. Stalowo-betonowy dźwigar zespolony z rozciąganą płytą betonową. Inżynieria i Budownictwo 2011; 12: 667–671.
16. Johnson R. P. Composite Structures of Steel and Concrete: Beams, Slabs, Columns, and Frames for Buildings. Malden: Third Edition, Blackwell Publishing, 2008.
17. Lebet J.-P, Gómez Navarro M.G. Influence of Concrete Cracking on Composite Bridge Behaviour. Composite Construction in Steel and Concrete V 2006: 77-86.
18. Lee J., Fenves G.L. Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures. Journal of Engineering Mechanics 1998; 124(8): 892-900, http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(1998)124:8(892).
19. Lin W., Yoda T. Experimental and numerical study on mechanical behaviour of composite girders under hogging moment. Advanced Steel Construction an International Journal. 2013; 9(4): 280–304.
20. Lin W., Yoda T., Taniguchi N., He Y. Mechanical Performance of Steel-Concrete Composite Beams Subjected to a Hogging Moment. Journal of Structural Engineering 2014; 140(1): 04013031/1-04013031/11.
21. Lubliner J., Oliver J., Oller S., Onate E. A plastic-damage model for concrete. International Journal of Solids and Structures 1989; 25(3):299–326, http://dx.doi.org/10.1016/0020-7683(89)90050-4.
22. Łagoda M., Śledziewski K. Analiza mostowej konstrukcji stalowo-betonowej z płytą rozciąganą. Materiały Budowlane 2014; 4: 55-58.
23. Łagoda M., Śledziewski K. Operation of a steel-concrete composite beam considering slab cracking. Budownictwo i Architektura 2014; 13(2): 265-274.
24. Nakamura S., Momiyama Y., Hosaka T., Homma K. New technologies of steel/concrete composite bridges. Journal of Constructional Steel Research 2002; 58(1): 99-130, http://dx.doi.org/10.1016/S0143-974X(01)00030-X.
25. Oller S., Onate E, Oliver J., Lubliner J. Finite element nonlinear analysis of concrete structures using a "Plastic-Damage model". Engineering Fracture Mechanics 1990; 35(1/2/3): 219-231.
26. EN 1990:2002, Eurocode: Basic of structural design.
27. EN 1992-1-1:2004, Eurocode 2: Design of concrete structures, Part 1–1: General rules and rules for buildings.
28. EN 1994-2:2005, Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures, Part 2: General rules and rules for bridges.
29. EN 12390-3:2009, Testing hardened concrete, Part 3: Compressive strength of test specimens.
30. EN 12390-6:2009, Testing hardened concrete, Część 6: Tensile splitting strength of test specimens.
31. Prakash A., Anandavalli N., Madheswaran C.K., Rajasankar J., Laksh-manan N. Three Dimensional FE Model of Stud Connected Steel-Concrete Composite Girders Subjected to Monotonic Loading. International Journal of Mechanics and Applications 2011; 1(1): 1–11.
32. Ryu H.-K., Chang S.-U., Kim Y.-J., Kim B.-S. Crack control of a steel and concrete composite plate girder with prefabricated slabs under hogging moments. Engineering Structures 2005; 27(11):1613-1624, http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2005.05.015.
33. Ryu H.-K., Kim Y.-J., Chang S.-P. Crack Control of a Continuous Composite Two-girder Bridge with Prefabricated Slabs under Static and Fatigue Loads. Engineering Structures 2007; 29(6): 851-864, http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2006.06.021.
34. Sen R., Liby L., Mullins G. Strengthening steel bridge sections using CFRP laminates. Composites Part B: Engineering 2001; 32(4): 309-322, http://dx.doi.org/10.1016/S1359-8368(01)00006-3.
35. Shin H.-S. Influence of tensile behaviour of slab on the structural behaviour of shear connection in composite beam subjected to hogging moment. International Journal of Engineering Research and Development 2015; 11(9): 6-15.
36. Szcześniak W., Karaś S. Durability of bridge objects. Logistyka 2015; 4: 5965-5973.
37. Śledziewski K. Operation of a steel-concrete composite beam considering slab cracking. Doctoral dissertation. Lublin: Lublin University of Technology, 2016.
38. Tejchman J., Bobiński J. Continuous and Discontinuous Modelling of Fracture in Concrete Using FEM. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2013, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-28463-2.
39. Ugural A. C., Fenster S. K. Advanced Mechanics of Materials and Applied Elasticity. Fifth Edition. New Jersey: Prentice Hall, 2011.
40. Vayas I., Iliopoulos A. Design of Steel-Concrete Composite Bridges to Eurocodes. Boca Raton: CRC Press, 2014.
41. Woyciechowski P., Adamczewski G. Kształtowanie trwałości betonowych konstrukcji mostowych. Warsaw: Wydawnictwo Polskiej Izby Inżynierów Budownictwa, 2014.
42. Wróblewski T., Pełka-Sawenko A., Abramowicz M., Berczyński S. Modeling and analysis of free vibration of steel-concrete composite beams by finite element method. Advances in Manufacturing Science and Technology 2012; 36(4): 85–96.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-839e05ce-8f73-41cc-a0aa-1a74139a42ba