Tensile capacity of hollow core slabs subjected to concentrated edge loads

Abstract

Hulldekker benyttes ofte i prosjekter hvor det skal konstrueres balkonger slik at disse må festes inn i sidekant på dekkene. For å øke kapasiteten og installere forbindelsen støpes de to første hullene i hulldekkene med betong. Den resulterende punktlastoverføringen fra balkongen kan føre til at det belastede hulldekket sprekker opp i et område bak lastpåføringen, fordi strekkspenningene i betongen blir for store. Forspente hulldekker armeres kun i lengderetning, noe som gjør at kapasiteten for strekk i tverretningen begrenses av betongens strekkfasthet. Videre er det spesifisert i hulldekkestandarden, NS-EN 1168, at det belastede hulldekket fordeler punktlasten til hulldekkene bak, noe som resulterer i lavere spenninger i det belastede dekket.

Analyser av lastfordelingen og strekkspenningene i den belastede platen var gjort med det numeriske elementmetodeprogrammet, Abaqus/CAE. Først ble lastfordelingsantagelsen undersøkt. Deretter ble resultatene fra denne analysen benyttet i en analyse av ett hulldekke påført en konsentrert endelast fra to ulike balkonger og deres respektive nyttelast. Analysene ble gjort for tre ulike hulldekker, HD200, HD265 og HD320, og lastene ble påført i midten av spennet, 1000mm fra opplegget og ved begge plasseringer samtidig. Spenningsoppførselen lokalt i hulldekket ble analysert, og systemets oppførsel under lastfordelingen ble påsatt som en last langs fugen mot det neste dekket i systemet. Hovedspenningene som ga mest strekk i overkant av hullet bak den påførte lasten ble funnet for de tre ulike dekkene, ved å variere den påførte vertikale og horisontale konsentrerte lasten, plasseringen av lasten, mengden forspent armering, størrelsen på meshet og plasseringen av stålplaten i underkant av den påførte lasten.

HD200 opplevde strekkspenninger større enn strekkfastheten for betong for alle lasttilfeller den ble utsatt for, og bør derfor bli brukt med varsomhet. HD265 og HD320 opplevde mindre spenninger, men for noen lasttilfeller var strekkspenningene nær strekkfastheten. De største strekkspenningene, uavhengig av dekkehøyden, opptrer når dekkene er belastet nært opplegget. Eksentristetsmoment, overført til hulldekket ved balkongopplegget på grunn av en åpning mellom balkong og hulldekket (figur: \ref{fig:large balcony} og \ref{fig:small balcony}), har en stor påvirkning på de opptredende strekkspenningene. I virkeligheten overføres ikke momentet så ofte på grunn av detailene i balkongforbindelsen. Andre parametere som plasseringen av stålplaten, mengden forspent armering og variasjon i horisontallast fra balkongen har liten innvirkning på strekkspenningene. Resultatene viser at strekkspenningene i hovedsak blir større på grunn av økt vertikal last, samt plasseringen av lasten på hulldekket, noe som kan føre til sprekker og brudd i betongen.

Hollow core slabs subjected to concentrated edge loads from balcony connections have their first voids cast with concrete to install the connection details and increase the capacity of the slab. Some slabs experience cracks in the top flange over the unfilled void behind the concentrated edge load due to high tensile stresses. Because the hollow core slabs usually contain reinforcement only in the longitudinal direction, the tensile capacity in the transverse direction depends solely on the concrete´s tensile strength. Further, it is specified in the hollow core standard NS-EN 1168 that the hollow core slabs can be expected to distribute the concentrated load to the rest of the slab system, reducing the stresses on the loaded slab.

The load distribution and tensile stress analysis were done using a finite element analysis tool, Abaqus/CAE. First, the theory of load distribution in a system of hollow core slabs was analyzed, then the results were applied to a single hollow core slab under a concentrated load. The load applied was equal to the weight of either of the two chosen balconies and their respective live loads. The local tensile stress analysis was done with three different slab types with heights of 200mm, 265mm, and 320mm, and the loads were placed in the center of the span, 1000mm from the support and at both places simultaneously. The highest principal tensile stresses were obtained for the three slab types by varying the vertical and horizontal load, the placement of the connection, the amount of prestressed reinforcement, the mesh size, and the connection plate placement. The capacity for punching shear was calculated and compared to results from the analysis.

The 200mm HCS experiences tensile stresses higher than the tensile strength of the concrete for all the loads presented and should therefore be designed with caution. The 265mm and 320mm HCS experience lower stresses than the 200mm HCS, but some are close to the tensile strength. For all the slabs, regardless of the height, the worst tensile stresses act when the slabs are loaded close to the supports. The eccentricity moment transferred to the HCS from the balcony influences the tensile stresses. However, in reality, they are often not transferred to the hollow core slab due to the connection detail. Other parameters such as placement of the steel plate, amount of prestressed reinforcement, and the horizontal load in the connection have little influence. Results show that the tensile stresses are mainly affected by the size and placement of the vertical load and can cause cracks and failure in the loaded slab.