Dynamiczny rozwój konstrukcji zespolonych doprowadził do powstania nowej koncepcji konstrukcyjnej określanej jako belki zespolone typu stalowa blacha-beton. Pierwsze badania eksperymentalne wykazały, że elementy te wymagają dalszych prac badawczych celem rozwiązania problemów podstawowych, związanych z określaniem nośności na zginanie oraz ugięć z uwzględnieniem wpływu poślizgu, który występuje w płaszczyźnie zespolenia tego typu elementów. Przed przystąpieniem do prac zasadniczych, wykonany został obszerny przegląd literatury dotyczącej omawianego tematu, który wskazał możliwe kierunki prowadzenia dalszych badań. Skupiał się w głównej mierze na zagadnieniach związanych z określaniem kluczowych parametrów charakteryzujących zachowanie konstrukcji zespolonych pod obciążeniem z uwzględnieniem czynników, które mogą prowadzić do uwydatnienia wpływu poślizgu. Obejmował swoim zakresem dotychczas przeprowadzone badania eksperymentalne oraz najnowsze rozwiązania analityczne i numeryczne pozwalające na kompleksową analizę zagadnienia.
Za cel rozprawy doktorskiej obrana została analiza zachowania belek zespolonych typu stalowa blacha-beton pod obciążeniem. W skład przeprowadzonych prac wchodziły badania eksperymentalne belek oraz materiałów, z których zostały wykonane. W akredytowanym Laboratorium Badawczym Instytutu Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Politechniki Krakowskiej przeprowadzono kompleksowe badania betonu, prefabrykatów stalowych (prętów zbrojeniowych i blach) oraz testy typu push-out wykonane celem badania zachowania łączników wiotkich (co jest kluczowe w przypadku konstrukcji zespolonych). Badania te pozwoliły na dokładne określenie głównych właściwości fizycznych. Badania zasadnicze belek zespolonych typu stalowa blacha-beton zostały przeprowadzone na sześciu elementach o rozpiętości 5,0 m i prostokątnym przekroju poprzecznym o wymiarach 250 x 500 mm. Belki zostały poddane trójpunktowemu zginaniu do momentu zmiażdżenia strefy ściskanej betonu, co utożsamione zostało z osiągnięciem nośności na zginanie. Wykazały one (wraz z zaprezentowanymi rozwiązaniami teoretycznym pozwalającymi na obliczenie nośności na zginanie oraz ugięć omawianych belek w pełnym zakresie obciążenia z uwzględnieniem poślizgu), że poślizg w zaniedbywalnie małym stopniu wpływa na nośność na zginanie, podczas gdy możne doprowadzić do zwiększenia ugięć nawet o 30 % w stosunku do obliczeń prowadzonych jak dla standardowych belek żelbetowych lub zespolonych (stalowo-betonowych). Co uzasadniło tezy zdefiniowane w rozprawie doktorskiej. Bazując na wynikach otrzymanych z badań doświadczalnych, zostały sporządzone modele numeryczne badanych elementów z wykorzystaniem zaawansowanych, nieliniowych modeli materiałów oraz zaimplementowanych w komercyjnym oprogramowaniu Ansys zaawansowanych typów elementów skończonych. Pozwoliło to na znacznie bardziej dogłębną analizę zachowania tego typu konstrukcji bez wykonywania dalszych czasochłonnych i kapitałochłonnych badań eksperymentalnych. Na tej podstawie wykonano analizę porównawczą zaprezentowanych rozwiązań. Ostatnim etapem prac była analiza parametryczna oparta na zwalidowanych modelach kalibracyjnych, mająca na celu określenie wpływu kluczowych parametrów takich jak: klasa betonu, klasa stali konstrukcyjnej, średnica i rozstaw łączników sworzniowych na pracę belek zespolonych typu stalowa blacha-beton, co ostatecznie udowodniło tezy zdefiniowane w rozprawie, iż wpływ poślizgu w płaszczyźnie zespolenia jest na tyle istoty, że należy go wziąć pod uwagę w przypadku określania ugięć, podczas gdy nośność na zginanie można obliczyć z wykorzystaniem standardowych rozwiązań stosowanych w przypadku obliczania tradycyjnych belek żelbetowych.
The rapid development of composite structures has led to a new structural concept known as steel plate-concrete composite beams. The first experimental studies have shown that these elements require further research work in order to solve the fundamental problems related to the determination of the bending resistance and deflections, taking into account the effect of slip that occurs at the interface plane.
Prior to the commencement of the experimental studies, a comprehensive review of the literature on the discussed topic was carried out, which indicated possible directions for further research. It focused mainly on issues related to the determination of key parameters characterising the behaviour of composite structures under load, taking into account factors that may lead to the enhancement of the effect of slip. It included experimental research carried out so far and the latest analytical and numerical solutions allowing for a comprehensive analysis of the problem.
The aim of the doctoral thesis was to analyze the behaviour of steel plate-concrete composite beams under load. The performed works included experimental tests of beams and materials used for their construction. The accredited Research Laboratory of the Institute of Materials and Construction Structures of the Cracow University of Technology carried out comprehensive tests of concrete, steel prefabricated elements (bars and plates) and push-out tests performed in order to test the behaviour of shear connectors (which is crucial in case of composite structures). These studies allowed to determine the main physical properties.
The examination of steel plate-concrete composite beams was carried out on six specimens, which had 5.0 m span and rectangular cross-section 250 x 500 mm. Beams were subjected to three-point bending until the concrete compression zone was crushed, which was identified as having achieved the flexural strength. Experimental studies have shown (together with the presented theoretical studies allowing to calculate the flexural strength and deflection of the beams under full load range including slip) that the slip negatively affects the bending resistance, while it may lead to an increase in deflections of up to 30 % in relation to calculations performed as for standard reinforced concrete or composite (steel-concrete) beams. That justified the thesis defined in the doctoral dissertation. Based on the results of experimental research, numerical models of the studied elements were developed using non-linear material models and advanced finite element types implemented in commercial Ansys software. This allowed for a much more in-depth analysis of the behaviour of this type of construction without further time-consuming and capital intensive experimental research. On this basis, a comparative analysis of the presented solutions was made. The last stage of the work was parametric analysis based on validated calibration models, aimed at determining the influence of key parameters such as the concrete class, structural steel grade, diameter and spacing of shear connectors for steel plate-concrete composite beams, which ultimately proved the thesis defined in the study that the effect of slip is of such a nature that it should be taken into account when determining deflections, whereas the ultimate flexural strength can be calculated using standard solutions for the calculation of traditional reinforced concrete beams.
