A lightweight floor system based on sandwich panels: characterization and development

Abstract

O setor da construção deve continuamente transformar-se de modo a mitigar os riscos associados às alterações climáticas. É crucial promover abordagens de projeto e construção que minimizem as emissões de CO2. As construções modulares e a reabilitação de edifícios existentes podem reduzir o consumo de matérias-primas e de energia, bem como a produção de resíduos. Neste contexto, sistemas de pisos leves são essenciais para tais práticas. Esta tese apresenta o desenvolvimento de um sistema de piso leve baseado em painéis sanduíche e seus sistemas de ligação que contribuíram para o resultado do projeto de investigação LightSlab. O sistema de pisos destina-se a construções modulares e reabilitação de pisos degradados em edifícios de alvenaria. A unidade modular pré-fabricada do sistema de piso é constituída por um painel sanduíche reforçado com nervuras de aço formado a frio e preenchido com espuma de poliuretano. Este trabalho de investigação visa proporcionar uma melhor compreensão do comportamento mecânico de tais membros estruturais compósitos. O painel sanduíche foi projetado utilizando ferramentas analíticas para garantir sua segurança estrutural, bem como isolamentos térmicos e acústicos adequados. Um processo de otimização foi conduzido usando algoritmos genéticos para minimizar seu peso, custo e impacto ambiental, ao mesmo tempo em que atende aos padrões estruturais e de construção. A otimização foi validada e estudos foram realizados para examinar como os principais parâmetros de projeto afetam seu desempenho. O estudo experimental analisa as propriedades mecânicas dos materiais constituintes dos painéis sanduíche e avalia o seu comportamento à flexão estático e dinâmico. Adicionalmente, os sistemas de conexão são avaliados experimentalmente. As juntas de painéis sanduíche usam chapas fixadas nas faces inferiores dos painéis adjacentes com parafusos autoperfurantes. A ligação com a estrutura vertical é materializada por cantoneiras de aço aparafusadas e/ou coladas adesivamente ao painel sanduíche. Os resultados do programa experimental são usados para verificar ferramentas analíticas e calibrar modelos numéricos com o software ABAQUS. Simulações numéricas identificam os principais aspetos físicos que regem o comportamento do painel sanduíche. Com base nos modelos analíticos validados, são desenvolvidas ferramentas de projeto simplificadas para diversas configurações de suporte e carga para promover a utilização das novas soluções de piso.

The building sector must continuously transform to mitigate risks associated with climate change. Modular construction and rehabilitating of existing buildings can reduce raw material consumption, energy usage, waste production and minimize CO2 emissions. Lightweight floor systems are essential for such practices. This thesis presents the development of a lightweight floor system based on sandwich panels and its connection systems which contributed to the outcome of LightSlab R&D Project. The floor system is intended for weight-sensitive applications like modular constructions and rehabilitation of degraded floors in masonry buildings. The prefabricated modular unit of the floor system is made of a cold-formed steel web core sandwich panel infilled with polyurethane foam. This work aims to provide a better understanding of the mechanical behaviour of such composite structural members. The sandwich panel was designed using analytical tools to ensure its structural safety as well as adequate thermal and acoustic insulations. An optimization process was conducted using genetic algorithms to minimize its weight, cost, and environmental impact while meeting structural and building standards. The optimization was validated, and studies were performed to examine how key design parameters affect its performance. The experimental study analyses the mechanical properties of the constituent materials of the sandwich panels and assesses their static and dynamic flexural behaviour. Additionally, an experimental program is carried out to evaluate the connection systems. To ensure interlocking between adjoining panels, a tongue and groove geometry was implemented on the webs of the panel. The adjacent panels are fastened together using cover plates that are attached to the bottom face sheets with self-drilling screws. As for the connection with vertical structures, the sandwich panels are bolted and/or adhesively bonded to steel angles that are connected to the walls. Experimental program outcomes are used to verify analytical tools and calibrate numerical models with ABAQUS software. Numerical simulations identify key mechanical aspects governing sandwich panel behaviour. Based on the validated analytical models, simplified design tools are developed for various support and load configurations to promote the use of the new floor solutions.