Nonlinear analysis of composite beams with concrete-encased steel truss

Il presente articolo è stato pubblicato sulla rivista Journal of Constructional Steel Research


Rivista : Journal of Constructional Steel Research, Volume 91, December 2013, Pages 1–13

Link: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143974X13002496

Sommario
La trave reticolare mista, costituita da una struttura reticolare metallica inglobata in un getto di calcestruzzo in opera e saldata ad un piatto d'acciaio inferiore continuo, può essere analizzata in campo nonlineare facendo uso del modello cinematico proposto da Newmark nel 1951 per le tradizionali travi composte acciaio-calcestruzzo con connessioni deformabili. Infatti, l'anima della struttura reticolare, realizzata con acciaio per c.a. o carpenteria metallica, si comporta come una connessione deformabile. Si adotta in particolare una modellazione agli elementi finiti basata su interpolazioni polinomiali del secondo ordine per gli spostamenti assiali e le rotazioni, e del terzo ordine per gli spostamenti trasversali, che dà origine ad un elemento finito a 10 gradi di libertà esente dal fenomeno dello slip-locking. Si analizzano travi semplicemente appoggiate soggette ad un carico uniformemente distribuito e viene valutato il momento resistente di travi di varia lunghezza tenendo conto del comportamento nonlineare del calcestruzzo, dell'acciaio e delle connessioni. In particolare si analizza l'influenza della duttilità delle connessioni e si mostra che, per travi corte, elevati valori di scorrimento all'estremità della trave comportano una prematura rottura lato calcestruzzo nelle sezioni prossime agli appoggi. In tale caso si può adottare un criterio di verifica semplificato basato sulla soluzione elastica del problema.

Abstract
Composite beams constituted by a concrete-encased steel truss welded to a continuous steel plate are analyzed using a nonlinear finite element formulation based on Newmark's classical model. The web member of the steel truss is made by deformed or structural steel rebars and behaves like a deformable shear connection. In order to avoid slip locking, finite elements based on second-order interpolation of longitudinal displacements and flexural rotations are employed. Simply supported composite beams subjected to a uniformly distributed transverse load are considered. The bending capacity is evaluated for short up to long spans, taking the nonlinear behavior of concrete, steel and shear connection into account. The effects of the shear connection ductility are put in evidence, showing that, for short spans, the interfacial stress transfer resulting from the yielding of connection may be penalizing. In fact, the high slip gradient arising in sections near the supports may lead to a premature concrete failure. In this case, the exact solution to the linear elastic problem for steel–concrete composite beams can be used for design purposes.