Mechanical behavior of steel-concrete composite beams with discontinuous concrete deck
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-08-23
Department
Major/Subject
Structural Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
en
Pages
51
Series
Abstract
Bridge accessories are known to have an effect on stiffness of a bridge. In recent studies also presence of expansion joints between precast accessory elements and the joint positioning have been found to have an effect on the deck stiffness. Additionally stress concentrations are observed in bridge deck at the joint location. This thesis analyses load test data of two steel-concrete composite beams with different joint patterns in the concrete parts and conducts numerical analyses on both cases, in order to determine the effect of the joint location on strength and stiffness of the structure under negative bending moment. Furthermore, attempt is made to investigate formation of stress concentration at the joint locations observed in preceding research. In Case 1 the beam has a joint in the concrete part at the midpoint of the beam. In Case 2, two joints are placed in the concrete part, exactly halfway between midpoint and the support point on each side of the beam. The load type is negative three-point bending with concrete parts of the beams under tension. Both cases were loaded until measured force imposed on the beam started to decrease as displacement of the midpoint was increased. Numerical analyses were conducted on both cases using ANSYS finite element analysis software. Both cases were modeled with 3D components of exact specimen geometries using simplified shear connection. Load test results showed higher ultimate load capacity for Case 2. Case 2 was found to undergo plastic deformation at higher load compared to Case 1. In numerical analyses the models were loaded by imposing incremental displacement in 0.25 mm steps up to 10 mm. In Case 1 numerical model replicated load-displacement behavior with 4.9 % error and strain development in steel profile with 11.4 % error, while in Case 2 the error rate of numerical analysis was 5.8 % for load-displacement. However, up to 45 % differences were found in strain values compared to load test results in Case 2. Load test results suggest that the location of joints in concrete part does have a significant effect in the mechanical behavior of the beam. In neither case stress concentrations in the steel part were found to occur in the numerical analysis. However, stress concentration was observed in the reinforcement in the numerical analysis. Thesis contains a review of problems encountered in numerical analysis and proposes improvements for further research.Siltojen varusteiden tiedetään vaikuttavan sillan jäykkyyteen, vaikka varusteita ei huomioida osana siltojen kantavia rakenteita. Elementtirakenteisten varusteiden saumoilla on viimeisimmissä tutkimuksissa havaittu vaikutuksia sillan jäykkyyteen. Lisäksi saumojen on havaittu aiheuttavan jännityskeskittymiä sillan kanteen. Tässä diplomityössä analysoitiin erilaisilla liikuntasaumasijoitteluilla toteutettujen liittopalkkien kuormituskokeiden tuloksia kahdesta koekappaleesta, sekä luotiin FEM-mallit molemmista kappaleista. Työn tarkoitus oli selvittää saumojen sijoittelun vaikutuksia palkin lujuuteen ja jäykkyyteen venytetyn yläpinnan taivutuksessa. Lisäksi työssä yritettiin tutkia aiemmassa tutkimuksessa havaittua jännityskeskittymien muodostumista. Kuormituskokeen koekappaleessa 1 sauma sijoitettiin palkin keskikohtaan ja koekappaleessa 2 kaksi saumaa keskikohdan molemmin puolin tuen ja palkin keskikohdan puoliväliin. Kuormitustapa oli käänteinen kolmipistetaivutus, jossa betonipoikkileikkaus oli vedettynä. Kummassakin tapauksessa kuormitusta jatkettiin kunnes taipuman lisäämiseen vaadittu voima alkoi pienentyä. Koekappaleiden muoto mallinnettiin kolmiulotteisesti ANSYS laskentaohjelmalla. Liittorakenteen leikkausliitos kuitenkin yksinkertaistettiin määrittelemällä osien välinen vuorovaikutus kitkakertoimella. Kuormituskokeessa havaittiin koekappaleen 1 murtolujuus suuremmaksi kuin kappaleen 2. Kappaleen 2 myötölujuus havaittiin myös suuremmaksi kuin kappaleen 1 FEM-analyyseissä kappaleet kuormitettiin määrittämällä keskipisteen siirtymäksi 10 mm 0,25 mm askelin. Kappaleen 1 mallin kuorman ja taipuman suhde noudatti kuormituskokeessa mitattua 4,9 %:n virhemarginaalilla ja teräsosan laskennalliset venymät vastasivat kuormituskokeessa mitattuja 11,4 %:n marginaalilla. Kappeleen 2 kohdalla virhe kuorma-taipumasuhteessa oli 5,8 %, sen sijaan teräsosan jännityksissä ero oli enimmillään 45 % laskentamallin ja kuormituskokeessa mitatun välillä. Kuormituskokeen tulosten perusteella saumojen sijoittelulla on merkittävä vaikutus palkin mekaanisiin ominaisuuksiin. Tämän diplomityön FEM-analyyseissä ei havaittu odotettuja jännityskeskittymiä teräsosassa. Sen sijaan jännityskeskittymiä havaittiin muodostuvan raudoitusteräksissä saumojen kohdalla. Työssä tarkasteltiin käytetyn FEM-mallin puutteita, sekä keinoja mallin tarkkuuden parantamiseksi jatkotutkimusta varten.Description
Supervisor
Lin, WeiweiThesis advisor
Hao, RuiKeywords
composite structures, finite element analysis, bridge structures, bridge accessories, ANSYS