Connections by Adhesion, Interlocking and Friction for Steel-Concrete Composite Bridges under Static and Cyclic Loading THÈSE NO 5301 (2012) PRÉSENTÉE LE 24 FÉvRIER 2012 À LA FACULTÉ DE L'ENvIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT LABORATOIRE DE LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUE PROGRAMME DOCTORAL EN STRUCTURES ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Dimitrios PAPASTERGIOU acceptée sur proposition du jury: Prof. A. Muttoni, président du jury Prof. J.-P. Lebet, directeur de thèse Prof. E. Brühwiler, rapporteur Prof. J. Raoul, rapporteur Dr M. Thomann, rapporteur Suisse 2012 Πᾶσα δόσις ἀγαθὴ καὶ πᾶν δώρημα τέλειον ἄνωθέν ἐστιν, καταβαῖνον ἀπὸ τοῦ πατρὸς τῶν φώτων, παρ’ ᾧ οὐκ ἔνι παραλλαγὴ ἢ τροπῆς ἀποσκίασμα. ΙΑΚΩΒΟΥ 1:17 Tout bienfait et tout don parfait viennent d'en haut; ils descendent du Père des lumières, en qui il n'y a ni changement ni l’ombre d’une variation. Jacques 1:17 Every good gift and every perfect gift is from above, coming down from the Father of lights with whom there is no variation or shadow due to change. James 1:17 Alle gute Gabe und alle vollkommene Gabe kommt von obenherab, von dem Vater des Lichts, bei welchem ist keine Veränderung noch Wechsel des Lichtes und der Finsternis. Jakobus 1:17 Acknowledgements 5 Acknowledgements I would first like to express thanks to my supervisor Prof. Dr. Jean-Paul Lebet for the opportunity to conduct research at the Steel Structures Laboratory, for his valuable suggestions and our excellent cooperation. I express my acknowledgements also to members of the jury, Prof. Joël Raoul, Prof. Eugen Brühwiler and Dr. Michel Thomann for reviewing my work and for their remarks, and to the chairman of the jury Prof. Aurelio Muttoni for the coordination of the private defense. I strongly appreciate the feedback from the members of the committee that followed my work, Mrs. Farida Salamé, Dr. Emmanuel Denarié and Dr. Michel Thomann. I am also thankful to Prof. Alain Nussbaumer for his scientific advice and to Prof. Manfred Hirt and Mr. Michel Crisinel for their comments to my initial work. This research was financially supported by the Swiss National Science Foundation (SNF). Donation of materials for the specimen fabrication from the Swiss Federal Roads Office (OFROU) and the VSL Company is highly acknowledged. Special thanks to Gary Prinz for reviewing long parts of this thesis for the use of English. I express my thanks also to Pia Hannewald, Claire Acevedo and Manuel Santarsiero for the German, French and Italian, correspondingly translation of the abstract. Special thanks to Prof. Katrin Beyer for the always interesting discussions and for her encouragement. The quite extensive experimental investigation performed during this project could not have been realized without the excellent cooperation of the technical staff. I express my thanks to Sylvain Demierre and Gilles Guignet for their help on the test set up and execution. I also thank all the rest of the technical team, Gerald Rouge, Patrice Gallay, Frédérique Dubugnon and François Perrin for their important contribution. I appreciate also the help from Qian Wang concerning the specimen preparation. I also appreciate all help from our secretary, Esther Von Arx, for all the administrative issues and the help from Nicolas Dubois and Stefano Nepa for their support concerning informatics. I am also thankful to Gustavo Cortes and Farshid Zamiri for the suggestions concerning the use of FEA software. Lots of thanks to all my friends and colleagues at ICOM and all over the EPFL, for their friendship all these years; from the warm welcoming of the first days to the support at the final stages. One thousand thanks to my father for contaminating me with the science of civil engineering, to my mother for having taught me to aim the progress in my life, and to my twin sister Maria for her encouragement in all my decisions. Finally, I express my gratitude to my wife Eleni for recognizing my love of research and encouraging me to apply for a PhD. I truly thank her also for her love, devotion, support, understanding, and for encouraging me always to chase higher goals. EPFL Thesis 5301 Abstract-Résumé-Zusammenfassung-Riassunto-Σύνοψη 7 ABSTRACT Steel-concrete composite bridges with twin-I steel girders and prefabricated slabs constitute an economical and competitive solution for small and medium bridge spans. In recent years they have started to gain their share in the construction market. However, the current slab-to-girder connection with groups of headed shear stud connectors is not well adapted for prefabrication and fast erection, and does not respond successfully to the durability of the construction. New types of connections by adhesion, interlocking and friction constitute a conception that aims to answer these demands. The resistance of these connections is based on the development of longitudinal shear stresses in the interfaces which form the connection. The goals of this study are to complete the existing research in this field by proposing scientific tools in order to predict the connection’s structural performance, i.e. prediction of the connection’s ultimate resistance and deformation capacity, including the post-failure behaviour. In addition, the behaviour of the connection under cyclic loading is also investigated to assess the connection’s resistance to fatigue and to propose a design method for composite bridges under fatigue loading. To fulfill theses goals a combinational methodology was applied which included: • study of the state of the art: a) in composite bridges so as to define the requirements and b) in interface behaviour in order to emphasize the parameters which are responsible for the resistance and obtain information for the nature of cyclic loading damage mechanisms, • experimental investigations: a) to reveal the laws describing the interfaces and the connection’s behaviour for static and cyclic loading, and provide data for development of analytical expressions and model validation and b) demonstrate the capacity of a composite beam under cyclic loading and the extent of its remaining resistance at ultimate limit state, • analytical studies: a) to produce the laws describing the interface behaviour under static and cyclic loading and b) to evaluate the impact of the cyclic loading to the slip in the interfaces and in the connection and thus propose a damage factor for cyclic loading, • finite element analysis in order to enable an analytical description of the confinement effect, caused by the reinforced concrete slab, which contributes to the resistance, • the development of a numerical model to predict the connection’s structural performance and to propose a design method for composite bridges fabricated with the new connection. Application of the mentioned methodology resulted in several useful conclusions: − The interface behaviour can be described by analytical laws. The post failure behaviour of the interfaces was explained by accounting for the kinematics of the failed surface and basic notions of fracture mechanics. − The damage due to cyclic loading on the interfaces and on the connection is expressed by the accumulation of a residual slip. Provided that the shear stresses remain lower than an elastic limit and the accumulated slip does not exceed the failure slip for static loading, fatigue failure is avoided. − The confinement effect was incorporated, analytically, together with the laws of the interface behaviour in a numerical model to predict the connection’s structural performance and allow a parametrical study. − A design method for the verification of composite beams under static and cyclic loading was developed. Keywords: steel-concrete connections, longitudinal shear, interfaces, softening behaviour, confinement effect, cyclic loading, residual slip, fatigue limit EPFL Thesis 5301 8 Abstract-Résumé-Zusammenfassung-Riassunto-Σύνοψη RÉSUMÉ Les ponts mixtes acier-béton composés de poutres en acier en double T et de dalles préfabriquées constituent une solution économique et très compétitive pour des ponts des petites et moyennes portées. Ces dernières années ils gagnent des places de marché. Cependant, la connexion acier-béton courante par groupe de goujons s’avère mal adaptée à la préfabrication, au montage rapide et ne garanti pas une durabilité suffisante de la construction. De nouveaux types de connexions par adhérence, « interlocking » et frottement répondent mieux à ces demandes. La résistance de ces connexions est basée sur le développement de contraintes de cisaillement longitudinales dans les interfaces qui forment la connexion. Les objectifs de cette étude sont de compléter la recherche existante dans ce domaine en proposant des outils scientifiques pour prévoir la performance structurelle de la connexion, i.e. la prédiction de la résistance ultime de la connexion et sa capacité de déformation, y compris le comportement post- rupture. En outre, le comportement de la connexion sous chargement cyclique est également étudié pour évaluer la résistance de la connexion à la fatigue et proposer une méthode de dimensionnement de la connexion pour des ponts mixtes sous chargement de fatigue. Pour atteindre ces objectifs la méthodologie suivante a été appliquée: • étude de l'état de l'art, a) pour les ponts mixtes afin de définir les exigences et b) pour le comportement des interfaces afin de souligner les paramètres qui sont responsables de la résistance et obtenir des informations sur la nature des mécanismes d'endommagement sous sollicitations cycliques, • études expérimentales a) pour révéler les lois décrivant les interfaces et le comportement de la connexion dans le cas de chargement statique et cyclique pour fournir des données pour le développement des expressions analytiques et la validation des modèles, et b) pour démontrer la capacité portante d'une poutre mixte sous chargement cyclique ainsi que sa résistance résiduelle à l'état limite ultime, • études analytiques a) pour définir des lois décrivant le comportement des interfaces sous sollicitations statiques et cycliques, et b) pour évaluer l'influence de la sollicitation cyclique sur le glissement au niveau des interfaces et de la connexion et, par suite, de proposer un facteur d’endommagement pour les sollicitations cycliques, • analyse par éléments finis, afin de permettre une description analytique de l'effet de confinement causée par la dalle en béton armé qui contribue à la résistance, • utilisation des ces résultats dans un modèle numérique pour prédire la performance structurelle de la connexion, et proposition d'une méthode de conception des ponts mixtes fabriqués avec la nouvelle connexion. L’application de la méthodologie mentionnée aboutit à plusieurs conclusions utiles : − Le comportement des interfaces peut être décrit par les lois analytiques. Le comportement post-rupture des interfaces a été expliqué par la cinématique de la surface de rupture et les lois fondamentales de mécanique de la rupture. − L’endommagement dû aux charges cycliques sur les interfaces et sur la connexion est exprimé par l'accumulation du glissement résiduel. Tant que les contraintes de cisaillement restent inférieures la limite de l’élasticité de l’interface et que le glissement accumulé ne dépasse pas la valeur du glissement correspondant à la rupture statique, la rupture par fatigue est évitée. − L'effet de confinement a été déterminé analytiquement, puis appliqué en interaction avec les lois de comportement des interfaces dans un modèle numérique. Ce modèle a permis de prédire la performance structurelle de la connexion et d’effectuer une étude paramétrique. EPFL Thesis 5301 Abstract-Résumé-Zusammenfassung-Riassunto-Σύνοψη 9 − Une méthode de dimensionnement pour la vérification des poutres mixtes sous sollicitations statiques et cycliques a été développée. Mots-clés: connexion acier-béton, cisaillement longitudinal, interfaces, comportement d'adoucissement, effet de confinement, chargement cyclique, glissement résiduelle, limite de fatigue Zusammenfassung Verbundbrücken mit I-Profilen aus Stahl und vorfabrizierten Stahlbetonplatten stellen eine ökonomische und sehr konkurrenzfähige Lösung für Brücken mit kleiner und mittlerer Spannweite dar und haben während der letzten Jahre einen gewissen Marktanteil erobert. Allerdings ist die momentan übliche Ausführung mit gruppierten Kopfbolzendübeln nicht gut für die Vorfabrikation und schnelle Konstruktion geeignet und genügt nicht den Dauerhaftigkeitsanforderungen an eine Brücke. Aus diesem Grund wurden neuere Typen von Verbindungen, die durch Haftung, Verzahnung und Reibung wirken, entwickelt, um diesen Anforderungen zu genügen. Der Tragwiderstand dieser Verbindungen basiert auf der Entwicklung der Längsschubspannungen entlang der Kontaktfläche der Verbindung. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die bestehende Forschung auf diesem Gebiet, durch das Entwickeln von wissenschaftlichen Werkzeugen zur Vorhersage des Tragverhaltens zu komplettieren, mit denen die Tragfähigkeit der Verbindung sowie ihre Verformungskapazität inklusive des Verhaltens nach Versagen vorhergesagt werden können. Desweiteren wird das Verhalten der Verbindung under zyklischer Belastung untersucht, um die Dauerstandfestigkeit zu beurteilen und eine Bemessungsmethode für Verbundbrücken unter Ermüdungslasten vorzuschlagen. Um diese Ziele zu erreichen wurden folgende Fragestellungen bearbeitet: • Studium des Stands der Technik bei a) Verbundbrücken, um die Anforderungen zu identifizieren und b) hinsichtlich des Verhaltens der Kontaktfläche, um die Parameter zu identifizieren, die zum Widerstand beitragen, und Informationen über die Art der Schädigungsmechanismen bei zyklischer Belastung zu erhalten. • Experimentelle Untersuchungen a) um die Gesetzmässigkeiten, mit denen sich das Verhalten der Kontaktflächen und der Verbindung unter statischer und dynamischer Belastung beschreiben lässt, aufzudecken und Versuchsdaten zur Entwicklung und Validierung von Modellen bereit zu stellen und b) um die Kapazität eines Verbundbalkens unter zyklischer Belastung und die Grössenordnung des verbleibenden Widerstandes im Grenzzustand der Tragfähigkeit aufzuzeigen. • Analytische Studien, a) um Gesetzmässigkeiten aufzustellen, die das Verhalten der Kontaktfläche unter statischer und dynamischer Belastung beschreiben, und b) um den Einfluss der zyklischen Belastung auf den Schlupf der Kontaktflächen und der Verbindung zu evaluieren und einen Schädigungsfaktor für zyklische Belastung vorzuschlagen. • Finite-Elemente Analyse, um eine analytische Beschreibung des durch die Stahlbetonplatte ausgelösten Umschnürungseffektes zu ermöglichen, der zum Tragwiderstand beiträgt. • Entwickeln eines numerischen Models um das Tragverhalten der Verbindung vorherzusagen und einer Design Methode für Verbundbrücken, die mit der neuen Verbindung ausgeführt wurden. Die folgenden Schlussfolgerungen können nach dem Anwenden dieser Methodik gezogen werden: − Das Verhalten der Kontaktfläche kann mit analytischen Gesetzmässigkeiten beschrieben werden. Nach dem Versagen wurde das Verhalten durch Berücksichtigung der Kinematik entlang der Kontaktfläche und Grundprinzipien der Bruchmechanik beschrieben. EPFL Thesis 5301 10 Abstract-Résumé-Zusammenfassung-Riassunto-Σύνοψη − Die Schädigung der Kontaktfläche und der Verbindung durch zyklische Belastung wird durch die Summierung des verbleibenden Schlupfes ausgedrückt. Unter der Voraussetzung, dass die Schubspannungen unter einem elastischen Limit bleiben, wird Ermüdungsversagen durch eine Stabilisierung des kumulierten Schlupfes, welcher den Schlupfwert nicht überschreitet, der unter statischer Belastung zum Versagen führt, vermieden. − Der Umschnürungseffekt wurde analytisch, zusammen mit den Gesetzmässigkeiten, die das Verhalten der Kontaktflächen beschreiben, im numerischen Modell eingebunden um das Tragverhalten der Verbindung zu beschreiben und eine Parameterstudie zu ermöglichen. − Eine Bemessungsmethode zur Verifikation von Verbundbalken unter statischer und dynamischer Belastung wurde entwickelt. Schlüsselwörter: Stahl-Beton Verbindungen, Längsschubspannung, Kontaktfläche, Ermüdungsgrenze, Entfestigungsverhalten, Umschnürungseffekt, zyklische Belastung, verbleibender Schlupf. Riassunto La tipologia di ponte in struttura mista, con due travi longitudinali in carpenteria metallica e soletta prefabbricata in cemento armato, rappresenta sicuramente una delle soluzioni più economicamente vantaggiose per ponti di media e piccola luce. Negli ultimi anni ha infatti guadagnato una considerevole aliquota del mercato delle costruzioni. Tuttavia, le attuali connessioni soletta-trave realizzate con gruppi di connettori metallici non rispondono in maniera soddisfacente ai necessari requisiti prestazionali, sia in termini di prefabbricazione e posa in opera, sia in termini di durabilità. Una nuova tipologia di connessione, basata sui fenomeni di adesione, ingranamento e attrito, ha l’obiettivo di rispondere a tali tipi di requisiti prestazionali. La resistenza di queste connessioni si basa sullo sviluppo di sforzi di taglio longitudinali in prossimità dell’interfaccia tra connessione metallica e soletta. Gli obbiettivi del presente studio sono quelli di completare una ricerca già esistente in questo campo, mediante la formulazione di strumenti scientifici atti a predire le prestazioni strutturali della connessione, con particolare interesse nel calcolo della resistenza ultima della connessione e della sua capacità di deformazione, tenendo in conto del comportamento post-rottura. Con lo scopo di soddisfare i succitati obbiettivi, è stata adottata una strategia di ricerca che ha incluso: • Uno studio dello stato dell’arte su: a) in ponti in struttura mista con lo scopo di definire gli obbiettivi e i requisiti e b) il comportamento dell’interfaccia con lo scopo di mettere in evidenza i parametri che maggiormente influenzano la resistenza della connessione e ottenere informazioni sul meccanismo di danneggiamento per carichi ciclici, • Campagna sperimentale: a) per scoprire le leggi che descrivono il comportamento dell’interfaccia e della connessione per carichi statici e dinamici, per fornire dati utili allo sviluppo di espressioni analitiche e alla validazione del modello che verrà in seguito sviluppato, • Studi analitici: a) con lo scopo di definire delle leggi costitutive atte a descrivere il comportamento dell’interfaccia sottoposta a carichi statici e dinamici e b) per valutare l’influenza dei carichi ciclici sullo scorrimento relativo delle interfacce e della connessione e quindi di proporre un “fattore di danno” per carichi ciclici, • Analisi agli elementi finiti atti a definire una descrizione analitica dell’effetto di confinamento, causato dalle armature della soletta in cemento armato, che contribuisce in maniera significativamente alla resistenza della connessione, EPFL Thesis 5301