Experimental studies on shear connection systems in steel and lightweight concrete composite bridges

Abstract

The behaviour of composite structures accounts for the contribution of concrete and steel sections, provided that a composite action exists between these two materials. Composite action can be obtained by reducing or preventing the relative displacement of concrete and steel elements at their interface. Shear connectors are used to provide this composite action. The behaviour of the steel to concrete connection will have major importance on the global behaviour of the structural element. Lightweight concrete is now a commonly used material that can successfully replace normal density concrete. There are some good examples of buildings and bridges where high strength lightweight concrete is used as the main material. The principal reason for using lightweight concrete is the advantage of reducing the concrete element self-weight. This weight saving permits larger spans or lower weight of the steel section and lowers the cost of the foundations. There is also a reduction in the cost of the formwork of elements constructed on site and in the cost of transportation and assembly of prefabricated elements. It is possible to produce lightweight concrete that is comparable to normal weight concrete in terms of compressive strength. However, other mechanical properties, like modulus of elasticity, fracture energy or long-term properties show some differences that should be taken into account. Therefore, a part of this study is dedicated to the mechanical characterization of high strength lightweight concrete. Studies on its long term behaviour are also undertaken. The use of lightweight concrete on composite structures requires testing of the connection between the steel and the concrete members. The connection behaviour influences the overall behaviour of the composite element in terms of strength and deformability. It is important to design connection systems adapted to lightweight concrete, that guarantee the ductile behaviour of the connection in order to maximize the connection strength and allow its plastic behaviour. Therefore, the characterization of different types of shear connection devices to be used in composite elements of steel and lightweight concrete is done. Headed studs, Perfobond connectors and T connectors are analysed for static loadings and compared. Failure modes, load capacity, deformation capacity, ductility and stiffness are the main parameters in analysis. In bridges, live loads present important variation in value and in time. Some of these loads have also important repetition during the structure’s life time. When the composite beam is loaded, either statically or cyclically, the interface between steel and concrete tends to present increasingly higher slip values. For cyclic loadings, the increase in slip depends on the number of load cycles applied and on the range of load imposed. The consequences of higher slip are a higher vertical deflection and the stress redistribution on the cross section. It is also verified that the repetition of load cycles can result in a diminution of the maximum load attained at the steel to concrete connection. This work presents tests on steel and lightweight concrete composite beams submitted to static and cyclic loadings. During these tests, it is possible to measure the evolution of vertical deflection, slip and slip strain. All these parameters indicate if there is loss of interaction at the steel to concrete interface. For cyclic loadings, a relation between these parameters and the number of load cycles applied is established. It is also possible to check if there is loss of load capacity due to the repetition of the load cycles, by comparison with the results previously obtained for monotonic loadings. Push-out tests submitted to static and cyclic loadings are also performed, in order to collect useful information for the characterization of the steel and lightweight concrete connection and for the analysis of composite beams. Different types of shear connection dispositions are tested, in order to evaluate the effects of designing for total and for partial connection. Concrete creep and shrinkage can influence the behaviour of a composite beam, because the concrete slab is restrained by the steel beam and therefore, they induce internal stresses on the composite section. The long term behaviour of lightweight concrete will have important influence on the long term behaviour of the composite beam, which is also analyzed with the experimental tests performed.

A realização de estruturas mistas em aço e betão implica a necessidade de existir uma acção mista entre as secções de ambos os materiais. Esta acção mista pode ser obtida, reduzindo ou prevenindo o deslizamento relativo entre as secções de aço e de betão. Para tal, são utilizados conectores metálicos, que são soldados ao perfil metálico e ficam betonados no interior da laje de betão. O comportamento da conexão terá um papel fundamental no comportamento global do elemento misto. O betão leve é já um material frequentemente utilizado e que pode substituir com sucesso o betão de massa volúmica normal. A principal vantagem do betão leve reside na redução do peso próprio da laje de betão. Esta redução no peso próprio permite aumentar o vão do elemento misto ou em alternativa, reduzir o peso da secção de aço. Permite ainda reduzir o custo das fundações. Verifica-se também uma redução do custo das cofragens para elementos betonados em obra e uma redução dos custos de transporte e montagem para elementos pré-fabricados. Existem bons exemplos de edifícios e pontes construídos maioritariamente com este material. É possível produzir betão leve com resistência à compressão similar à de um betão de massa volúmica normal. Contudo, outras propriedades como o módulo de elasticidade, a energia de fractura ou aspectos relacionados com o comportamento diferido apresentam diferenças que devem ser tidas em conta. Deste modo, uma parte do estudo realizado é dedicado à caracterização mecânica de um betão leve de elevada resistência, complementada com um estudo do seu comportamento a longo prazo, nomeadamente com ensaios de caracterização da retracção e da fluência. A utilização de betão leve em estruturas mistas requer uma avaliação do comportamento da conexão. A conexão aço-betão leve influencia o comportamento global do elemento misto em termos de capacidade resistente e deformabilidade. É importante conceber e dimensionar sistemas de conexão adaptados ao betão leve, de forma a garantir o comportamento dúctil da conexão, o qual permitirá mobilizar a máxima capacidade resistente do elemento estrutural e eventualmente permitirá o seu comportamento plástico. Deste modo, a caracterização da conexão aço-betão leve para diferentes tipos de elementos de conexão é um dos objectivos do trabalho. Pernos de cabeça, conector de tipo Perfobond e conector de tipo T são as tipologias testadas sob carregamentos monotónicos e posteriormente comparadas. Os principais parâmetros analisados são os modos de rotura, a capacidade resistente, a capacidade de deformação, a ductilidade e a rigidez. O objectivo final é fazer uma caracterização completa para que seja possível utilizar estes tipo de elementos de conexão em elementos mistos realizados em aço e betão leve. Em pontes, as cargas variáveis apresentam importante variação em grandeza e ao longo do tempo. Algumas destas cargas repetem-se constantemente ao longo da vida destas estruturas. Numa viga mista, a interface entre as secções de aço e de betão tende a apresentar deslizamento progressivamente crescente quando submetida a carregamento. No caso dos carregamento cíclicos, este deslizamento depende do número de ciclos aplicado e do intervalo de carga correspondente a cada ciclo. As consequências principais do crescimento do deslizamento são o aumento da deformação vertical da viga e a redistribuição interna dos esforços. Verifica-se que a repetição de ciclos de carga e descarga pode resultar na diminuição da capacidade de carga da viga. O presente trabalho apresenta ensaios experimentais em vigas mistas de aço e betão leve, submetidas a carregamentos monotónicos e cíclicos. Durante estes ensaios é possível medir a evolução da carga aplicada, da deformação vertical, do deslizamento na interface entre as secções de aço e de betão e das extensões em algumas secções transversais pré-definidas. Todos estes parâmetros permitem avaliar se há perda de interacção entre as secções de aço e de betão leve. No caso dos carregamento cíclicos, estabelecem-se relações entre estes parâmetros e o número de ciclos de carga e descarga aplicados. Também é possível avaliar se há perda de carga devido à repetição destes ciclos, comparando o valor de carga máximo atingido com o valor de carga máxima medida nos ensaios de carregamento monotónico. São ainda realizados ensaios de tipo push-out submetidos a carregamentos monotónicos e cíclicos, de forma a obter informação útil para a caracterização da conexão aço-betão leve e para a avaliação do comportamento de vigas mistas. Os fenómenos de retracção e fluência do betão leve podem influenciar o comportamento das vigas mistas, uma vez que o perfil metálico restringe a variação de volume da laje de betão. Deste modo, o comportamento diferido do betão leve é analisado e testado através de ensaios experimentais, complementados por ensaios de vigas mistas realizadas em aço e betão leve e submetidas a carregamentos permanentes por um período de aproximadamente um ano.