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Doctoral Thesis
Full name
Alex Micael Dantas de Sousa
Knowledge Area
Date of Defense
São Carlos, 2022
Debs, Mounir Khalil El (President)
Araujo, Daniel de Lima
Ferreira, Mauricio de Pina
Siqueira, Gustavo Henrique
Stucchi, Fernando Rebouças
Title in English
One-way shear and punching strength of reinforced concrete slabs without transverse reinforcement under concentrated loads
Keywords in English
concentrated loads
one-way shear strength
punching capacity
reinforced concrete slabs without transverse reinforcement
shear force
Abstract in English
Most studies that address the shear behavior of reinforced concrete slabs without transverse reinforcement deal with slab strips loaded over the entire width or the punching capacity of flat slabs or slab-column connections. Therefore, these studies focus on slabs subjected to specific shear failure mechanisms. However, in the case of concentrated or partially distributed loads in small areas close to the support of one-way slabs, a frequent situation in bridge deck slabs, both one-way shear and punching shear failure mechanisms can occur. This study developed recommendations to assess the shear and punching shear strength of such slabs using different approaches. In this study, some recommendations were developed that are based on the use of only analytical expressions, others combining analytical expressions with results from linear elastic finite element analyses, others using non-linear finite element analyses, and, finally, using experimental investigations. Since both shear failure mechanisms can be critical for such slabs, the research was addressed in parts. Firstly, the one-way shear behavior of wide beams and slabs loaded over the entire width was addressed. After, different approaches used to define the effective shear width were investigated, combined with code expressions and also mechanical-based models of one-way shear strength. In the next step, the research addressed the combination of analytical expressions with linear elastic finite element analyses to predict the shear and punching shear strength of one-way slabs. In the context of punching, the research addressed the behavior and punching resistance of slabs designed with the rational use of ultra- high-performance fiber-reinforced concrete. Non-linear finite element analyses were also proposed to assess the failure mechanism and ultimate capacity of different kinds of slabs. In the end, an experimental program was performed to investigate the failure mechanism of one-way slabs under concentrated loads after local reinforcement yielding. In summary, this study addresses different approaches to design reinforced concrete slabs under concentrated loads based on a comprehensive review and analyses of different tests from literature and also performed herein. Besides, the experimental program confirmed important aspects of the shear redistribution at failure that resulted in a clear activation of different failure mechanisms.
Title in Portuguese
Cisalhamento unidirecional e resistência à punção de lajes de concreto armado sem armadura transversal sob cargas concentradas
Keywords in Portuguese
cargas concentradas
cisalhamento unidirecional
força cortante
lajes de concreto armado sem armadura transversal
resistência à punção
Abstract in Portuguese
A maioria dos estudos que abordam o comportamento ao cisalhamento de lajes de concreto armado sem armadura transversal trata de tiras de laje carregadas em toda a largura ou da capacidade de punção de lajes lisas ou ligações laje-pilar. Portanto, esses estudos focam em lajes submetidas a um mecanismo específico de ruptura por cisalhamento. No entanto, no caso de cargas concentradas ou parcialmente distribuídas em pequenas áreas próximas ao apoio de lajes unidirecionais, uma situação frequente em lajes de tabuleiro, podem ocorrer tanto mecanismos de ruptura por cisalhamento unidirecional quanto por punção. Este estudo desenvolveu recomendações para avaliar a resistência ao cisalhamento ou força cortante e resistência à punção dessas lajes usando diferentes abordagens. Neste estudo, foram desenvolvidas recomendações baseadas apenas em expressões analíticas, outras combinando expressões analíticas com resultados de análises de elementos finitos elásticos lineares, outras usando análises de elementos finitos não lineares e, finalmente, usando investigações experimentais. Uma vez que ambos os mecanismos de ruptura por cisalhamento podem ser críticos para tais lajes, o trabalho foi abordado em partes. Primeiramente, foi abordado o comportamento ao cisalhamento unidirecional de vigas largas e lajes carregadas em toda a largura. Após, diferentes abordagens utilizadas para definir a largura efetiva ou colaborante na resistência à força cortante foram investigadas, combinadas com expressões de diferentes códigos de projeto e também modelos baseados na mecânica da resistência ao cisalhamento unidirecional. Na etapa seguinte, a pesquisa abordou a combinação de expressões analíticas com análises em elementos finitos elástico-lineares para prever a resistência ao cisalhamento e punção dessas lajes. No contexto da punção, a pesquisa abordou o comportamento e a resistência à punção de lajes projetadas com o uso racional de concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras. Análises não lineares de elementos finitos foram propostas para avaliar o mecanismo de ruptura e a capacidade última de diferentes tipos de lajes. Ao final, foi realizado um programa experimental para investigar o mecanismo de ruptura de lajes unidirecionais sob cargas concentradas após o escoamento local das armaduras. Em resumo, este estudo aborda diferentes metodologias e ferramentas para avaliação de lajes de concreto armado sob cargas concentradas com base em uma ampla revisão da literatura, análise de diferentes ensaios da literatura e também realizados neste estudo. Além disso, o programa experimental confirmou aspectos importantes da redistribuição da força cortante na ruptura que resultaram em uma clara ativação de diferentes mecanismos de resistência.
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