Load Distribution on Timber-Concrete Composite Floors

Abstract

A presente investigação centrou-se na análise de lajes mistas madeira-betão, com particular enfoque na distribuição transversal de esforços internos e tensões nestas estruturas. Assim, o objectivo essencial deste trabalho consiste em compreender a forma como uma carga, especificamente uma carga concentrada, aplicada a uma laje é transmitida para cada elemento de apoio através das vigas principais da laje. Apesar dos carregamentos concentrados, pontuais ou de faca, serem casos de carga comuns em lajes, consequência de elementos pesados, tais como, mobiliário, equipamentos ou paredes paralelas ao eixo longitudinal das vigas, os efeitos decorrentes não se conhecem completamente, com escassos estudos que lhes digam respeito. Estes tornam-se ainda mais escassos quando se considera o tipo de elemento misto em estudo. Como tal, a importância de esclarecer estes efeitos e desenvolver soluções técnicas é evidente. A investigação baseou-se essencialmente na modelação numérica e em ensaios laboratoriais. Três modelos numéricos, baseados em diferentes elementos finitos, foram desenvolvidos e os resultados comparados entre si. Estes foram ainda comparados com resultados de alguns ensaios experimentais preliminares e com os resultados do método analítico desenvolvido por Guyon-Massonnet, também conhecido como Método dos Coeficientes de Distribuição. Este procedimento permitiu validar e escolher o modelo com o qual se procedeu posteriormente ao estudo paramétrico. Os ensaios experimentais foram realizados em provetes à escala real. Para tal, construíram-se cinco pavimento mistos com diferentes características cujo efeito na distribuição de cargas se pretendia apurar, nomeadamente o tipo de betão (regular vs. leve), a espessura da camada de betão e o vão. Os provetes foram sujeitos a cargas concentradas, pontuais e de faca, localizadas em diferentes posições, meio ou quarto de vão ou alinhadas com a direcção longitudinal das vigas, respectivamente. Além de aumentar o conhecimento acerca da distribuição transversal de cargas, esta investigação pretendia desenvolver uma ferramenta expedita capaz de reflectir correctamente o comportamento deste tipo de estruturas e carregamento. Assim, através dos resultados numéricos e experimentais obtidos foi possível identificar os parâmetros com maior influência sobre a distribuição transversal de cargas concentradas nestes pavimentos e subsequentemente efectuar uma análise de sensibilidades. Tal permitiu desenvolver e sugerir uma equação simplificada de avaliação da percentagem de carga recebida por cada viga em lajes mistas madeira-betão sujeitos a cargas concentradas, em função do vão, da posição da viga na laje e da espessura da camada de betão. Todos estes desenvolvimentos contribuirão para tornar viável o uso desta técnica num conjunto mais vasto de situações de reabilitação.

The main objective of this research is the analysis of timber-concrete composite slabs, with particular focus on the transversal distribution of internal forces and stresses when concentrated external loads are applied to these structures. More specifically, the essential aim of this work is to understand the manner in which a load, particularly a concentrated load, applied to a slab is transmitted to each supporting element across the main beams of the slab. Although concentrated, point or line loads are common load cases in slabs, consequence of heavy items, such as furniture or equipment or walls parallel to the beams longitudinal axis, their effects are not completely understood, with few studies available in literature. Concerning timber-concrete composite slabs, the knowledge is even more scarce. Hence, the importance of investigating these aspects of the structural behavior and developing technical design rules is evident. This doctoral research was based in numerical modeling and in experimental tests. Three numerical models, based on different finite elements were developed and their results were compared. The numerical results were also compared with those obtained from some preliminary experimental tests complemented with the computational work using the analytical method developed by Guyon-Massonnet, known as Distribution Coefficients Method. Through this procedure, the models were validated and the most adequate one was chosen to perform the parametric study. Experimental tests were performed on specimens at real scale. For this purpose, five composite specimens with different characteristics were built. A different parameter whose effect on the load distribution was intended to be analyzed was associated to each one of them. The parameters that were studied were the influence of the concrete type (normal weight vs. light-weight), the span length and the thickness of the concrete layer. The experimental specimens were subjected to concentrated loads at different positions one at a time. The point loads were applied at mid- and quarter-span of the beams and the line loads were applied aligned with the longitudinal direction of the beams. Beyond the increasing of the knowledge on the transversal distribution of load, this investigation intended to develop an expedite tool that would reflect the correct behavior of this kind of structures under concentrated loads. Through the numerical and experimental results it was possible to identify the parameters with the greatest effect on the transversal distribution of concentrated loads on these floors and subsequently an analysis of sensitivities was also carried out. This led to the development and the suggestion of a simplified equation capable of predicting the percentage of load received by each beam in timber-concrete composite slabs when subjected to concentrated loads. This percentage is a function of the span, the beam position at the slab and the thickness of the concrete layer. The developments from this investigation can be applied in the design of timber-concrete composite structures under concentrated loads. It is expected that the rules proposed here can be adopted in design codes, such as Eurocode 5. Since these kind of structures and loading are rather frequent in rehabilitation works, an improving on the knowledge will be reflected on the price of the final work. Naturally, the lack of knowledge on the behavior of structures under a certain circumstances will force to solve the problem by considering the least favorable approach, therefore corresponding to expensive solutions. If more knowledge is available, the design can be optimized, therefore, more economical.