Post-punching resistance of a flat slab can help redistribute the gravity loads and resist progressive collapse of a structure following initial damage. One important difficulty with accounting for the post-punching strength of a slab is the discontinuity that develops following punching shear. A numerical simulation technique is proposed here to model and evaluate post-punching resistance of flat slabs. It is demonstrated that the simulation results of punching shear and post-punching response of the model of a slab on a single column are in good agreement with corresponding experimental data. It is also shown that progressive collapse due to a column removal (explosion) can lead to punching failure over an adjacent column. Such failure can propagate throughout the structure leading to the progressive collapse of the structure. Through post-punching modeling of the slab and accounting for the associated discontinuity, it is also demonstrated that the presence of an adequate amount of integrity reinforcement can provide an alternative load path and help resist progressive collapse.
In R.C. flat slab system, a brittle punching failure is a very fatal problem. But there is no generally well-defined answer to the problem and there are wide differences in current practical design codes. therefore, in this study, the factors affecting to punching failure mechanism have been studied to find out the punching shear behavior in R.C. flat slabs by comparing other investigations and practical design codes. Therefore, In this study, the factors affecting to punching failure mechanism have been studied to find out the punching shear behavior in R.C. flat slabs by comparing other investigations and practical design codes. The conclusions in this study are summarized as follows; 1) The factors affecting to punching shear are concrete strength ($f_\alpha$), ratio of column side length to slab depth (c/d), ratio of distance from column center to radial contraflexure (l/d), yield strength of steel ($f_y$), flexural reinforcement ratio ($\rho$) and size effects. 2) It is shown that th use of $\surd{f_{ck}}$in applying($f_\alpha$ to punching shear strength estimation may be more sensitive in high concrete strength. 3) The effects of l/d, ($f_y$, size are no clear in the punching failure mechanism, so in the future, it should be investigated with the effects of various composed load.
최근들어, 국내에서 공용중인 교량바닥판의 파손사례가 증가되고 있으며, 파손된 바닥판의 주요 파괴모드는 반복되는 중트럭 하중에 의한 국부적인 펀칭전단이 주원인이 되고 있다. 본 연구에서는 교축방향으로 프리스트레스가 도입된 프리캐스트 콘크리트 교량바닥판에 대해서 펀칭전단 파괴실험을 수행하여 펀칭전단 실험중에 얻어진 균열양상, 파괴모드, 처짐 및 응력 특성, 펀칭전단강도 등을 검토하였다. 정적 펀칭전단 실험결과 교량바닥판의 펀칭전단 파괴는 현행 시방서의 예측식에값 보다 더 큰 하중 수줄에서 발생되어 현행 시방서에서 규정하는 펀칭전단 강도는 안전측의 결과를 보이는 것으로 판단된다.
As a brittle failure mode, punching-shear failure can be widely found in traditional RC slab-column connections, which may lead to the entire collapse of a flat plate structure. In this paper, a novel RC slab-column connection with inner steel truss was proposed to enhance the punching strength. In the proposed connection, steel trusses, each of which was composed of four steel angles and a series of steel strips, were pre-assembled at the periphery of the column capital and behaved as transverse reinforcements. With the aim of exploring the punching behavior of this novel RC slab-column connection, a static punching test was conducted on two full-scaled RC slab specimens, and the crack patterns, failure modes, load-deflection and load-strain responses were thoroughly analyzed to explore the contribution of the applied inner steel trusses to the overall punching behavior. The test results indicated that all the test specimens suffered the typical punching-shear failure, and the higher punching strength and initial stiffness could be found in the specimen with inner steel trusses. The numerical models of tested specimens were analyzed in ABAQUS. These models were verified by comparing the results of the tests with the results of the analyzes, and subsequently the sensitivity of the punching capacity to different parameters was studied. Based on the test results, a modified critical shear crack theory, which could take the contribution of the steel trusses into account, was put forward to predict the punching strength of this novel RC slab-column connection, and the calculated results agreed well with the test results.
Reinforced concrete flat plates consist of slabs supported directly on columns. The absence of beams makes these systems attractive due to advantages such as economical formwork, shorter construction time, less total building height with more clear space and architectural flexibility. Punching shear failure is usually the governing failure mode of flat plate structures. Punching failure is brittle in nature which induces more vulnerability to this type of structure. To analyze the flat plate behavior under punching shear, twelve finite element models of flat plate on a column with different parameters have been developed and verified with experimental results. The maximum range of variation of punching stress, obtained numerically, is within 10% of the experimental results. Additional finite element models have been developed to analyze the influence of integrity reinforcement, clear cover and column reinforcement. Variation of clear cover influences the punching capacity of flat plate. Proposed finite element model can be a substitute to mechanical model to understand the influence of clear cover. Variation of slab thickness along with column reinforcement has noteworthy impact on punching capacity. From the study it has been noted that integrity reinforcement can increase the punching capacity as much as 19 percent in terms of force and 101 percent in terms of deformation.
플랫플레이트-기둥 접합부의 뚫림전단강도를 규명하기 위해 그동안 많은 실험연구가 수행되어 왔다. 실험결과에 의하면, 뚫림전단강도는 접합부의 기둥크기, 철근비, 경계조건 등 다양한 설계변수에 따라 크게 변화하는 것으로 나타났다. 하지만 현행 설계기준들은 설계변수의 영향을 정확히 반영하고 있지 못한 실정이다. 본 연구에서는 뚫림전단의 파괴메카니즘을 정의하기 위하여, Rankine의 파괴기준을 이용하는 구조역학적 접근법이 사용되었다. 파괴메카니즘은 접합부에 배치된 하부철근량에 따라 압축지배 전단파괴와 인장지배 전단파괴로 분류되며, 또한 뚫림전단강도는 슬래브의 휨손상에 밀접한 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 이 연구결과에 근거하여 콘크리트의 뚫림전단강도식을 개발하였으며, 제안된 방법은 기존 실험연구결과와 비선형 수치해석결과와의 비교를 통해 타당성이 검증되었다. 비교결과, 다양한 설계변수의 영향을 반영하고 있는 제안된 강도모델은, 현행 설계기준보다 접합부의 뚫림전단강도를 정확히 추정할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
UHPC(Ultra High Performance Concrete) is used widely with its remarkable performance, such as strength, ductility and durability. Since the fibers in the UHPC can control the tensile crack, the punching shear capacity of UHPC is higher than that of the conventional concrete. In this paper, seven slabs with different thickness and fiber volume ratio were tested. The ultimate punching shear strength was increased with the fiber volume ratio up to 1%. The shear capacity of specimens with the fiber content 1% and 1.5% do not have big differences. The thicker slab has higher punching shear strength and lower deformation capacity. The critical sections of punching shear failure were similar regardless of the fiber volume ratio, but it were larger in thicker slab.
The study is an experimental test on full-scale flat plate slab-column interior connection. The punching shear on the flat plate slab-column connection can bring about the reason of the brittle punching shear failure which may result of collapsing the whole structure. From the development of residential flat plate system, the shear reinforcement is developed for preventing the punching shear. For making sure of the punching shear capacity, developed for shear reinforcement in slab-column connection, the structural test is performed. The dimension of the slabs was 2620*2725*180mm with square column (600*800mm). The slabs were tested up to failure monotonic vertical shear forces. The presences of S/S bar and wire mesh substantially increased the punching shear capacity and the ductility of the slab-column connections.
This paper proposed a numerical investigation based on finite elements analysis (FEA) in order to study the punching shear behavior of reinforced concrete (RC) flat slabs using ABAQUS and SAP2000 programs. Firstly, the concrete and the steel reinforcements were modeled by hexahedral 3D solid and linear elements respectively, and the nonlinearity of the used materials was considered. In order to validate this model, experimental results considered in literature were compared with the proposed FE model. After validation, a parametric study was performed. The parameters include the slab thickness, the flexure reinforcement ratios and the axial membrane loads. Then, to reduce the time of FEA, a simplified modelling using 3D layered shell element and shear hinge concept was also induced. The effect of the footings settlement was studied using the proposed simplified nonlinear model as a case study. Results of numerical models showed that increase of the slab thickness by 185.7% enhanced the ultimate load by 439.1%, accompanied with a brittle punching failure. The punching failure occurred in one of the tested specimens when the tensile reinforcement ratio increased more than 0.65% and the punching capacity improved with increasing the horizontal flexural reinforcement; it decreased by 30% with the settlement of the outer footings.
Punching shear in concrete slabs is a serious problem in certain structural systems, such as flat slab. In this study, mechanical improvement between specimens which are unstrengthened and strengthened with steel plate and fiber panel is experimentally investigated. The strengthened bridge deck specimens had increment of strength and broke down with punching shear failure. Strengthening ratio should be considered to restraint punching failure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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