Experimental Assessment of the Shear Resistant Behaviour of Precast Concrete Beams with Top Cast-in-Place Concrete Slab

Abstract

[ES] La construcción con elementos prefabricados de hormigón es un sector en alza por la aceleración del proceso constructivo, el ahorro de costes derivados de la obra in situ y la mejora de la calidad y acabados, entre otros. En la construcción prefabricada de estructuras de ingeniería civil como puentes y edificios es frecuente el empleo de vigas prefabricadas de hormigón. La construcción con estas vigas requiere el vertido de una capa de hormigón in situ sobre las mismas tras su emplazamiento, que sirve como elemento integrador para garantizar la unidad estructural. Los elementos estructurales que se obtienen de esta forma son conocidos como vigas compuestas de hormigón. En vigas compuestas, aspectos como la resistencia a rasante de la interfaz entre hormigones han sido estudiados en numerosas publicaciones. No obstante, su comportamiento a cortante no ha sido, por el momento, analizado en profundidad. En consecuencia, existe muy poca información, tanto en la literatura existente como en los códigos de diseño actuales, acerca de la resistencia a cortante de estos elementos, de cómo influye la presencia de una interfaz entre los hormigones en la resistencia a cortante o de cómo contribuye la losa hormigonada in situ a dicha resistencia. La presente tesis doctoral tiene como objetivo estudiar la resistencia a cortante de vigas compuestas de hormigón. Para ello, se desarrolla un extenso programa experimental compuesto por vigas monolíticas y compuestas con y sin armadura transversal, con sección transversal rectangular o en forma de T y con hormigones de diferentes calidades en la viga prefabricada y en la losa hormigonada in situ. Se ensaya a cortante un total de 69 vigas de hormigón armado con el fin de analizar las diferentes variables de interés en la resistencia a cortante. A partir de los resultados experimentales, se propone un modelo mecánico de predicción de la resistencia a cortante de vigas compuestas de hormigón con sección transversal rectangular y en forma de T, que también es de aplicación a vigas monolíticas en T. Además, como apoyo al estudio experimental y al modelo mecánico, se modelan numéricamente algunos especímenes del programa experimental. Con todo ello, se busca incrementar el estado actual del conocimiento en este campo, mediante el aporte de un gran número de resultados experimentales y el análisis de los parámetros de diseño, así como sentar las bases para el desarrollo de una formulación de diseño de estructuras compuestas y de evaluación de las ya existentes globalmente aceptada por la comunidad científica.

[CA] La construcció amb elements prefabricats de formigó és un sector en alça per l'acceleració del procés constructiu, l'estalvi de costos derivats de l'obra in situ i la millora de la qualitat i acabats, entre altres. En la construcció prefabricada d'estructures d'enginyeria civil com a ponts i edificis és freqüent l'ús de bigues prefabricades de formigó. La construcció amb aquestes bigues requereix l'abocament d'una capa de formigó in situ sobre les bigues després del seu emplaçament, que serveix com a element integrador per a garantir la unitat estructural. Els elements estructurals que s'obtenen d'aquesta forma són coneguts com a bigues compostes de formigó. En bigues compostes, aspectes com la resistència a rasant de la interfície entre formigons han sigut estudiats en nombroses publicacions. No obstant això, el seu comportament a tallant no ha sigut, de moment, analitzat en profunditat. En conseqüència, existeix molt poca informació, tant en la literatura existent com en els codis de disseny actuals, sobre la resistència a tallant d'aquests elements, de com influeix la presència d'una interfície entre els formigons en la resistència a tallant o de com contribueix la llosa formigonada in situ a aquesta resistència. La present tesi doctoral té com a objectiu estudiar la resistència a tallant de bigues compostes de formigó. Per a això, es desenvolupa un extens programa experimental compost per bigues monolítiques i compostes amb armadura transversal i sense, amb secció transversal rectangular o en forma de T i amb formigons de diferents qualitats en la biga prefabricada i en la llosa formigonada in situ. S'assaja a tallant un total de 69 bigues de formigó armat amb la finalitat d'analitzar les diferents variables d'interés en la resistència a tallant. A partir dels resultats experimentals, es proposa un model mecànic de predicció de la resistència a tallant de bigues compostes de formigó amb secció transversal rectangular i en forma de T, que també és aplicable a bigues monolítiques en T. A més, com a suport a l'estudi experimental i al model mecànic, es modelen numèricament alguns espècimens del programa experimental. Amb tot això, es pretén incrementar l'estat actual del coneixement en aquest camp, mitjançant l'aportació d'un gran nombre de resultats experimentals i l'anàlisi dels paràmetres de disseny, així com establir les bases per al desenvolupament d'una formulació de disseny d'estructures compostes i d'avaluació de les ja existents globalment acceptada per la comunitat científica.

[EN] Construction with precast concrete elements is a booming sector due to the acceleration of the construction process, the saving of costs arising from the on-site construction and the quality and finish improvement, among others. Precast concrete beams are frequently used in the precast construction of civil engineering structures such as bridges and buildings. Construction with these beams requires the pouring of a cast-in-place concrete layer on top of the beams after their placement, which works as a unifying element to ensure structural integrity. Structural elements obtained in this way are known as concrete composite beams. In composite beams, some aspects such as the shear strength of the interface between concretes have been studied in multiple publications. However, their shear behaviour has not yet been analysed in depth. Consequently, there is very little information, both in the existing literature and in current design codes, about the shear strength of these elements, how the presence of an interface between the concretes influences the shear strength or how the cast-in-place concrete slab contributes to the shear strength. The aim of this doctoral thesis is to study the shear strength of concrete composite beams. For this purpose, an extensive experimental programme is developed, consisting of monolithic and composite beams with and without transverse reinforcement, with rectangular or T-shaped cross-section and with concretes of different qualities in the precast beam and in the slab. A total of 69 reinforced concrete beams are tested under shear forces in order to analyse the different variables of interest in shear strength. Based on the experimental results, a mechanical model for predicting the shear strength of concrete composite beams with rectangular and T-shaped cross-section is proposed, which is also applicable to monolithic T-beams. In addition, to support the experimental study and the mechanical model, some specimens of the experimental programme are numerically modelled. All in all, the aim is to improve the current state of knowledge in this field by providing a large number of experimental results and analysing the design parameters, as well as to lay the foundations for the development of a formulation for the design of existing structures and the assessment of existing ones that is globally accepted by the scientific community.