Behavior of connection between composite columns and reinforced concrete flat slab / By Mohamed Yousry Abdel Alim ; Under the Supervision of Prof. Hatem Mostafa Mohamed, Dr. Ahmed Mohammed Youssef

Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 104-107.

As an alternative to traditional systems, concrete-filled steel tube (CFST) columns
are frequently used with reinforced concrete flat slabs in high-rise buildings due to their
advantages. There is difficulty in the connection between CFST columns and RC flat
slabs due to the steel tube surrounding the column from the outside, thus separating the
concrete of the slab from the inner concrete of the column. This causes difficulty in
transferring the load from the flat slab to the column, as well as prevents the extension
of the steel rebar of the RC flat slab in the joint region.
The main objective of this study is to propose a new connection between CFST
columns and RC flat slabs and to study the behavior of this connection under the
influence of axial load. In this connection system, the steel tube is discontinued through
the slab region, and longitudinal reinforcement bars of the slab and column continue
through the joint zone. Rebar rings are used to confine and strengthen the joint zone, and
to compensate for the potential reduction in the axial load capacity due to the interruption
of the steel tube encasing the column. In the joint zone, the longitudinal rebars are
employed to sustain a portion of the vertical load and to ensure flexural stiffness of the
column at the connection region.
This study is divided into three main parts: an experimental program, finite element
modeling, and theoretical analysis. The experimental program included three series of
small specimens; the first group included five specimens to investigate the behavior of
the CFST column with connection and to predict the occurrence of failure in either one.
The second group included six specimens representing the connection region only to
investigate and evaluate the connection's bearing capacity. The third group included four
specimens to evaluate the punching shear capacity of the proposed connection as a result
of the effect of rebar rings and stirrups with a diagonal branch in the radial direction
around the column.
The experimental results firmly confirmed the theoretical analysis' prediction. The
first group failure occurred in the CFST column for all specimens indicating that the joint
axial capacity may be greater than the column's axial capacity. The second group's results
show a good agreement with the proposed equation for calculating the joint's bearing
capacity. The results of the experimental tests of the third group showed that the shear
reinforcement improves the punching behavior of the slab and increases punching shear
capacity by 30% or more. For validation of the numerical simulation model, the test
results were compared to a finite element analysis model using the ABAQUS software
program. Furthermore, the numerical and experimental results were found to be in good
agreement

يتم استخدام أعمدة الأنابيب المعدنية المملوءة بالخرسانة (CFST) بشكل متكرر مع البلاطات المسطحة من الخرسانة المسلحة كبديل للأنظمة التقليدية في المباني الشاهقة نظرًا لمزاياها. ولكن هناك صعوبة في الاتصال بين أعمدة (CFST) والبلاطة الخرسانية المسطحة. لأن الأنبوب المعدني يحيط بالعمود من الخارج، وبالتالي يفصل خرسانة البلاطة عن الخرسانة الداخلية للعمود، هذا يسبب صعوبة في نقل أحمال البلاطة المسطحة إلى العمود، وكذلك منع امتداد حديد تسليح البلاطة في منطقة العمود. الهدف الرئيسي من هذا البحث هو اقتراح شكل جديد للوصلة بين أعمدة (CFST) والبلاطة الخرسانية المسطحة ودراسة سلوك هذه الوصلة تحت تأثير الحمل المحوري. في هذه الوصلة، يتم إيقاف الأنبوب المعدني تمامًا عند منسوب البلاطة، بينما حديد التسليح الطولي يستمر عبر منطقة الوصلة. ويتم استخدام حلقات من حديد التسليح لتقوية منطقة المفصل من أجل تعويض الانخفاض المحتمل في سعة الحمل المحوري للعمود بسبب انقطاع الأنبوب المعدني الذي يغلف العمود. في منطقة المفصل يتم استخدام حديد تسليح طولي ليتحمل جزء من الحمل الراَسي ولضمان مقاومة الانحناء للعمود.
تنقسم هذه الدراسة إلى ثلاثة أجزاء: برنامج تجريبي، ونمذجة العناصر المحدودة، والتحليل النظري. اشتمل البرنامج التجريبي على ثلاث مجموعات من العينات الصغيرة، تضمنت الأولى منها خمس عينات للتحقق من سلوك العمود المركب (CFST) مع الوصلة والتنبؤ بحدوث الانهيار في أي منهما، وتضمنت الثانية ست عينات من منطقة الوصلة فقط، للتحقق من قدرة تحمل الوصلة وتقييمها، وتضمنت المجموعة الثالثة أربع عينات لتقييم قدرة قص الثاقب للوصلة المقترحة نتيجة لتأثير حلقات حديد التسليح والكانات ذات الفرع المائل الموزعة في الاتجاه الدائري حول العمود. أكدت النتائج التجريبية إلى حد كبير تنبؤ التحليل النظري، مع حدوث انهيار المجموعة الأولى في العمود المركب(CFST) لجميع العينات، مما يشير إلى أن السعة المحورية للمفصل قد تكون أكبر من السعة المحورية للعمود، وتتفق نتائج المجموعة الثانية إلى حد كبير مع المعادلة المقترحة لحساب قدرة تحمل المفصل. بينما أظهرت نتائج الاختبارات التجريبية للمجموعة الثالثة أن حلقات حديد التسليح والكانات الموضوعة حول العمود وموزعة في الاتجاه الدائري تعمل على تحسين سلوك التثقيب للبلاطة وزيادة مقاومة قص الثاقب بنسبة تصل إلى 30٪.
للتحقق من صحة نموذج المحاكاة العددي، تمت مقارنة نتائج الاختبارات بنموذج تحليل العناصر المحدودة باستخدام برنامج ABAQUS، ووجدت النتائج العددية والتجريبية متوافقة جيدًا.








محتوى الرسالة:
تتألف هذه الرسالة من سبعة فصول هي:
الفصل الأول: المقدمة
يحتوي هذا الفصل على مقدمة للأطروحة، ولمحة عامة، وأهداف الدراسة، ووصف المشكلة، ومنهجية البحث.
الفصل الثاني: الدراسات السابقة
يستعرض هذا الفصل الدراسات السابقة المتعلقة بعمود (CFST)، والاتصال بين عمود الأنبوب الفولاذي المملوء بالخرسانة (CFST) والبلاطة المسطحة من الخرسانة المسلحة، وتأثير قطع الأنبوب المعدني عند مستوى البلاطة، وتأثير الاختلاف في قوة الخرسانة بين الأعمدة والبلاطة وسماكة البلاطة على السعة المحورية القصوى للعمود. أخيرًا، تم استعراض بعض الطرق لتحسين قدرة القص الثاقب للبلاطة المسطحة.
الفصل الثالث: البرنامج العملي للرسالة.
هذا الفصل يوضح البرنامج التجريبي المستخدم في الأطروحة الحالية، والمتغيرات المحددة التي تم النظر فيها، وتجهيز وصب العينات، وإعداد الاختبار.
الفصل الرابع: نتائج التجارب المعملية للرسالة.
يقدم هذا الفصل نتائج ثلاث مجموعات من الاختبارات المعملية، توضح المجموعة الأولى نتائج دراسة سلوك المفصل مع العمود المركب CFST. في المجموعة الثانية، تمت دراسة وتقييم سلوك المفصل، حيث تتكون العينات من منطقة المفصل فقط، ومعرفة العوامل التي تغير قدرة تحمل المفصل، وفي المجموعة الثالثة من العينات يظهر تأثير استخدام حلقات التسليح المعدنية والكانات على سلوك القص التثقيب للوصلة المقترحة. بالإضافة إلى ذلك، توفر هذه الاختبارات بيانات تجريبية للتحقق من صحة نموذج المحاكاة العددية للعينات المختبرة.
الفصل الخامس: التحليل النظري
في هذا الفصل تم اقترح صيغة لحساب السعة المحورية لمفصل الوصلة المقترحة مع الأخذ في الاعتبار تأثير الحبس لحلقات حديد التسليح على مقاومة الضغط للخرسانة في منطقة المفصل، توقع السعة المحورية للعمود المعدني المملوء بالخرسانة استناداً إلى الابحاث السابقة.
الفصل السادس: التحليل اللاخطي للعينات المختبرة
اقترح هذا الفصل نمذجة العناصر المحدودة، حيث يصف هذا الفصل كيفية استخدام برنامج العناصر المحدودة ABAQUS لمحاكاة العينات المختبرة، بما في ذلك كيفية التحقق من صحة نموذج المحاكاة وكيفية مقارنة نتائج العناصر المحدودة بالبيانات التجريبية.
الفصل السابع: الاستنتاجات والتوصيات
يحتوي هذا الفصل على ملخص الرسالة ونتائجها، بالإضافة إلى توصيات للمهندسين الإنشائيين في الدراسات المستقبلية.
وينتهي البحث بالمراجع التي تم ادراجها في هذه الاطروحة.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.