Development of an innovative U-shaped steel-concrete composite beam solution: experimental and numerical studies on the mechanical behaviour - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2019

Development of an innovative U-shaped steel-concrete composite beam solution: experimental and numerical studies on the mechanical behaviour

Développement d'une solution innovante de poutre mixte acier-béton en forme de U : études expérimentales et numériques du comportement mécanique

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Abstract

An innovative solution of steel-concrete composite beam was developed taking into consideration the fire situation and the construction stage. The beam is composed of a U-shaped steel part connected to a reinforced concrete part. In the construction phase, the beam is supporting the slab and constitutes a formwork for the reinforced concrete part. The U-shaped beam withstands the construction loads without any temporary propping system. When casting concrete, the steel beam is filled at the same time as the slab, this allows considerable time-saving on site. In exploitation stage, the beam behaves as a steel-concrete composite beam. The connection between the two materials is made by welded headed studs on the lower part of the U-shaped beam. In fire situations, the composite beam satisfies conventional fire stability durations due to the longitudinal reinforcements inside the concrete downstand part with sufficient covers. A literature review focuses on modern solutions that fulfils the criteria of the thesis is performed in order to develop an innovative solution optimised. In construction stage, the U-shaped steel beam without restraints is prone to lateral torsional buckling instability. In order to characterise the stability of the beam, a full-scale test is carried out at the Laboratory of the University of Luxembourg. The test clearly showed the lateral torsional buckling of the steel beam. The test results are compared to numerical simulations and analytical studies. A parametrical study, covering 200 geometrical configurations of the U-shaped beam, is carried out to validate the use of the curve "b" for the design of the steel beam for lateral torsional buckling according to Eurocodes 3. In the exploitation phase, once the concrete hardens, the beam has a steel-concrete composite behaviour provided by the shear connection between the two materials. For manufacturing reasons, the connection is located in a zone where the concrete is subjected to tension forces induced by the bending of the beam. The concrete in this zone is potentially cracked, thus the efficiency of the connection and therefore the mechanical steel-concrete composite behaviour is investigated. Another test is therefore carried out in the Laboratory of the University of Luxembourg, this time the specimen tested is made of concrete and steel. The failure mode is a shear mechanism of the composite beam at very large displacements. However, the beam specimen exhibited a real steel-concrete composite behaviour with high ductility, the connection is therefore very efficient. The test results are compared to numerical simulations in order to validate the finite element model developed. From numerical results and test results, an analytical method, based on EN 1994-1-1, is proposed to find the bending resistant of this composite beam by taking into account the partial yield of the side plates of the U-shaped steel section. A global analytical design method is proposed for the developed solution based on the Eurocodes with additional considerations and constructional guidelines.
Une solution innovante de poutre mixte acier-béton a été développée en tenant compte des problématiques de résistance au feu et de montage sur chantier. La poutre est composée d'une partie métallique en U connectée à une partie en béton armé. En phase de construction, la poutre métallique supporte la dalle et constitue un coffrage pour la retombée en béton armé. La poutre en U résiste aux charges de construction sans système d’étaiement temporaire. Lors du coulage du béton, la poutre en acier est remplie en même temps que la dalle, ce qui permet un gain de temps considérable sur chantier. En phase d'exploitation, la poutre est mixte acier-béton. La connexion entre les deux matériaux est réalisée par des goujons à tête soudée en partie inférieure de la poutre en U. En situation d'incendie, la poutre mixte répond aux durées de stabilité au feu conventionnelles grâce aux armatures longitudinales à l'intérieur de la retombée avec des enrobages suffisants. Un état de l'art sur les solutions existantes répondant aux critères de la thèse est réalisé afin de proposer une solution innovante et optimisée. En phase de construction, sans présence de maintien, la poutre métallique en U est sujette à l’instabilité globale de déversement. Afin de caractériser la stabilité de la poutre, un test à échelle réelle est effectué au Laboratoire de l'Université du Luxembourg. Les résultats de l’essai sont comparés à des simulations numériques et à des études analytiques. Une étude paramétrique portant sur 200 configurations géométriques de la poutre en U est réalisée afin de valider l'utilisation de la courbe « b » pour le dimensionnement au déversement selon l’Eurocode 3. En phase d'exploitation, une fois le béton durci, la poutre présente un comportement mixte acier-béton assuré par la connexion. Pour des raisons de fabrication, la connexion est située dans une zone où le béton est soumis à des efforts de traction induits par la flexion de la poutre. Le béton dans cette zone est potentiellement fissuré, l’efficacité de la connexion et par conséquent le comportement mixte acier-béton sont étudiés. Un autre test, à échelle réelle, est effectué dans le Laboratoire de l'Université du Luxembourg. La ruine de la poutre mixte, par effort tranchant, se produit à très grands déplacements. Cependant, l’échantillon présente un réel comportement mixte avec une ductilité élevée, la connexion est donc très efficace. Les résultats de l’essai sont comparés à des simulations numériques afin de valider le modèle par éléments finis développé. A partir des résultats numériques et des résultats d’essais, une méthode de conception pour déterminer la résistance à la flexion de cette poutre, basée sur l’Eurocode 4, est proposée en tenant compte de la plastification partielle des parois de la section en U. Une méthode de conception analytique globale est proposée pour la solution développée basée sur les Eurocodes, avec des considérations supplémentaires et des conseils de mise en œuvre.
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tel-02527858 , version 1 (01-04-2020)

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  • HAL Id : tel-02527858 , version 1

Cite

Maxime Turetta. Development of an innovative U-shaped steel-concrete composite beam solution: experimental and numerical studies on the mechanical behaviour. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine; Université du Luxembourg, 2019. English. ⟨NNT : 2019LORR0203⟩. ⟨tel-02527858⟩
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