Alternative wall-to-slab connection systems in reinforced concrete structures
Date
2016-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: In the construction of multi-storey buildings, the reinforced concrete (RC) core or shear
walls normally precede the construction of the RC floors. A system is therefore required to connect the floors to the already cast walls. There are many different floor-to-wall connection systems available in South Africa, but their behaviour and capacity are not always fully understood, especially when the moment capacity of the joint is to be utilised in order to design more economical structures.
This research investigation focusses on four systems. The first is the conventional way of casting walls and floors by using continuous starter-bars that protrude through the
formwork. The second system makes use of pre-bent site-installed starter-bars that are
fixed within the wall, straightened after the wall is cast and then lapped with the slab reinforcement. The third system is also based on the principle of pre-bent starter bars, but they are pre-assembled inside a steel box to speed up the installation process and ease access to the bars once the wall is cast. Another system, that is not as popular in South Africa yet, is the use of cast-in anchors with mechanical couplers. The anchors are cast into the concrete wall and, once the form work is removed, threaded continuation bars are screwed into the couplers to make the connection between the floor and wall.
The design procedure for the continuous starter-bar system is well understood and documented in design codes, but not enough information is available on the design procedure for the other systems. Certain practical aspects of the installation process are also not fully understood.
Cold bending and straightening of the starter-bars are inevitable in both bend-out systems.
Previous research shows that this cold working of the reinforcement can reduce the yield stress, ductility and E-modulus of the steel. In order to investigate these findings, a series of tensile tests are conducted on Y10 and Y12 reinforcement (high yield, deformed
reinforcing bars). The results indicate that a significant reduction can be expected in both the yield stress and modulus of elasticity of the steel. A low cycle fatigue test further
con rmed that a reduction in the ductility of the steel is also present.
The next phase in the research investigation is to construct full scale models of the four
connection systems. The systems are installed in four separate joints between a cantilever
oor and a free-standing wall. The systems are designed to all have the same moment and
shear capacity and are based on a typical wall-to-slab connection found in an o ce block.
The construction of the models are done in such a way as to mimic the construction
methods in practice as closely as possible. The entire process is done in a controlled
environment, with a best practice approach adopted. Once the models are constructed,
a load is applied at the tip of the cantilever oor in order to generate a bending moment
and shear force at the wall-to-slab joint. The displacement of the specimen is monitored
throughout the test. The structural performance is subsequently compared in terms of
tip displacement, crack widths and ultimate resistance.
The e ect of the cold bending on the starter-bars is clearly visible, as both the responses
of the bend-out systems are less desirable than the results from the continuous starter-bar
system. The experimental phase is followed by numerical analysis of the connection systems.
Once the FE model is calibrated and veri ed with the data from the experimental
phase, a sensitivity study is conducted. The e ect of either varying the steel or the concrete
properties on the structural performance of a slab-to-wall connection is investigated.
The FE results shows that the structural performance is signi cantly more sensitive to a
reduction in the yield stress of the starter-bars, than to the use of a lower concrete grade.
Finally, the systems are compared in terms of their constructibility, availability, material
cost and their structural performance. Some recommendations on quality control matters
and best-practice principles are also discussed. It is concluded that all the alternative
connection systems can be successfully implemented in a moment-fixed wall-to-slab connection.
The site-installed bend-out system performed the best structurally, but other
practical considerations and project specific aspects might play an even bigger role in deciding which system to use in practice. Further, in order to ensure that the bend-out
systems perform on the same level as the conventional system, it is recommended that
the design should be conducted with a set of modified steel properties to allow for the negative effect of the cold working on the starter-bars.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In die konstruksie van multi-verdieping geboue, word die gewapende beton kern of skuifmuregewoonlik vooruit gegiet, met die aanhegting van die bewapende vloere wat volg. 'n Stelsel is dus nodig om hierdie verbinding met die mure, wat alreeds gegiet is, te bewerkstellig. Alhoewel daar 'n wye reeks muur-tot-vloer konneksie sisteme beskikbaar is in Suid-Afrika, word hulle gedrag en kapasiteit nie altyd ten volle verstaan nie. Dit is veral so waar die moment kapasiteit van die konneksie in ag geneem word om sodoende meer ekonomies te kan ontwerp. Hierdie navorsing fokus op vier verskillende muur-tot-vloer konneksie sisteme. Die eerste sisteem is die konvensionele manier om kontinuteit tussen die vloer en die muur te verseker: Die proses behels dat deurlopende bewapening deur die bekisting van die muur steek, om sodoende genoeg verankering met die bewapening van die vloer te verseker. Die tweede sisteem maak gebruik van voorafgebuigde stawe wat op die bouterrein geïnstalleer word. Die uit-buig stawe word aan die muur se bewapening vasgemaak en word eers uitgebuig nadat die muur gegiet is. Die derde stelsel maak ook gebruik van uitbuig-stawe, maar word vooraf geïnstalleer in 'n metaal kis om die installasieproses te vergemaklik en bespoedig. Die laaste sisteem wat ondersoek word is nog nie so bekend aan die Suid-Afrikaanse konstruksie bedryf nie. Dit maak gebruik van beton-ankers wat vasgeheg is aan meganiese koppelaars. Hierdie ankers word in die betonmuur ingegiet en sodra die bekisting verwyder is, word die bewapening eenvoudig ingeskroef om sodoende die verbinding tussen die muur en die vloer te maak. Die ontwerpprosedure vir die deurlopende bewapening sisteem word goed verstaan en die proses is duidelik gedokumenteer in die ontwerp kodes, maar daar is nie genoeg inligting beskikbaar vir die ontwerp van die ander sisteme nie. Daar is ook heelwat onsekerheid oor van die praktiese aspekte rondom die installasie van die sisteme. Koudbewerking van bewapening is onvermydelik in beide uit-buig sisteme aangesien die stawe eers teen 90° gebuig en in die muur geïnstalleer word, waarna dit weer reguit gebuig word sodra die muur gegiet is. Vorige navorsing toon dat hierdie koudbewerking 'n negatiewe effek op die einskappe van die staal het deurdat die E-modulus, duktiliteit asook die vloeispanning verlaag word. Hierdie bevindings word ondersoek deur 'n reeks trek toetse uit te voer op Y10 en Y12 bewapening (hoë vloeispanning, vervormde bewapeningstawe). Die resultate toon 'n beduidende afname in beide die vloeispanning en elastisiteitsmodulus van die staal. Die volgende fase in die navorsingsondersoek is om volskaalse modelle van die vier verbinding stelsels te bou. Die stelsels word geïnstalleer in vier afsonderlike verbindings tussen 'n kantelbalk en 'n losstaande muur. Die onderskeie stelsels word op so 'n manier ontwerp dat hulle moment- en skuifkapasiteit verteenwoordigend is van 'n tipiese muur-tot-blad verbinding in 'n kantoorblok. Die praktyk word, sover as moontlik, nageboots in die konstruksie van die volskaalse modelle. Die hele proses vind plaas in 'n gekontroleerde omgewing en 'n beste-praktyk benadering word deurgaans gevolg. Sodra die volskaalse modelle gebou is, word hulle kapasiteit getoets deur 'n punt las op die kantelbalk te plaas om sodoende 'n buigmoment en skuifkrag by die muur-tot-blad konneksie te genereer. Die verplasing van die model word deurlopend gemonitor. Die sisteme word vergelyk op grond van die tempo in die verplasing van die kantelbalk, vorming van krake en maksimum weerstand. Die negatiewe uitwerking wat die koudbewerking op die gedrag van die muur-tot-blad verbinding het, is duidelik sigbaar in die data wat tydens die volskaalse toetse ingesamel is. Albei uit-buig sisteme vertoon minder bevredigende gedrag in vergelyking met die deurlopende bewapening sisteem. Die eksperimentele fase word gevolg deur numeriese analise van die onderskeie stelsels. Sodra die eindige element model gekalibreer en geverifieer is met die fisiese eksperimentele data, word 'n sensitiwiteitsstudie uitgevoer. Die sensitiwiteit van die strukturele respons word gemeet teen 'n reeks wisselende staalen beton eienskappe. Die resultate van hierdie studie bewys dat die strukturele gedrag aansienlik meer sensitief is vir 'n verlaging in die vloeispanning van die bewapening as vir die gebruik van 'n swakker beton. Uiteindelik word al die sisteme vergelyk met betrekking tot hulle praktiese uitvoerbaarheid, algemene beskikbaarheid, koste van materiaal en hulle strukturele gedrag. Daar word ook aanbevelings gemaak oor kwaliteitsbeheer op die bouterrein en beste-praktyk beginsels wat toegepas moet word. Ten slotte word daar bevind dat al drie alternatiewe sisteme suksesvol geïmplementeer kan word in 'n momentvaste muur-tot-vloer verbinding. Alhoewel die terrein geïnstalleerde uit-buig sisteem se strukturele gedrag die beste was, is dit moontlik dat ander faktore en projek spesifieke aspekte 'n groter rol kan speel wanneer daar op die gekose sisteem besluit moet word. Verder, om te verseker dat die strukturele gedrag van albei uitbuig-staaf konneksies in lyn is met die van die konvensionele metode, word daar aanbeveel dat die ontwerp van die konneksies aangepaste staal eienskappe in ag neem om voorsiening te maak vir die negatiewe uitwerking van die koudbewerking op die uitbuig-stawe.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In die konstruksie van multi-verdieping geboue, word die gewapende beton kern of skuifmuregewoonlik vooruit gegiet, met die aanhegting van die bewapende vloere wat volg. 'n Stelsel is dus nodig om hierdie verbinding met die mure, wat alreeds gegiet is, te bewerkstellig. Alhoewel daar 'n wye reeks muur-tot-vloer konneksie sisteme beskikbaar is in Suid-Afrika, word hulle gedrag en kapasiteit nie altyd ten volle verstaan nie. Dit is veral so waar die moment kapasiteit van die konneksie in ag geneem word om sodoende meer ekonomies te kan ontwerp. Hierdie navorsing fokus op vier verskillende muur-tot-vloer konneksie sisteme. Die eerste sisteem is die konvensionele manier om kontinuteit tussen die vloer en die muur te verseker: Die proses behels dat deurlopende bewapening deur die bekisting van die muur steek, om sodoende genoeg verankering met die bewapening van die vloer te verseker. Die tweede sisteem maak gebruik van voorafgebuigde stawe wat op die bouterrein geïnstalleer word. Die uit-buig stawe word aan die muur se bewapening vasgemaak en word eers uitgebuig nadat die muur gegiet is. Die derde stelsel maak ook gebruik van uitbuig-stawe, maar word vooraf geïnstalleer in 'n metaal kis om die installasieproses te vergemaklik en bespoedig. Die laaste sisteem wat ondersoek word is nog nie so bekend aan die Suid-Afrikaanse konstruksie bedryf nie. Dit maak gebruik van beton-ankers wat vasgeheg is aan meganiese koppelaars. Hierdie ankers word in die betonmuur ingegiet en sodra die bekisting verwyder is, word die bewapening eenvoudig ingeskroef om sodoende die verbinding tussen die muur en die vloer te maak. Die ontwerpprosedure vir die deurlopende bewapening sisteem word goed verstaan en die proses is duidelik gedokumenteer in die ontwerp kodes, maar daar is nie genoeg inligting beskikbaar vir die ontwerp van die ander sisteme nie. Daar is ook heelwat onsekerheid oor van die praktiese aspekte rondom die installasie van die sisteme. Koudbewerking van bewapening is onvermydelik in beide uit-buig sisteme aangesien die stawe eers teen 90° gebuig en in die muur geïnstalleer word, waarna dit weer reguit gebuig word sodra die muur gegiet is. Vorige navorsing toon dat hierdie koudbewerking 'n negatiewe effek op die einskappe van die staal het deurdat die E-modulus, duktiliteit asook die vloeispanning verlaag word. Hierdie bevindings word ondersoek deur 'n reeks trek toetse uit te voer op Y10 en Y12 bewapening (hoë vloeispanning, vervormde bewapeningstawe). Die resultate toon 'n beduidende afname in beide die vloeispanning en elastisiteitsmodulus van die staal. Die volgende fase in die navorsingsondersoek is om volskaalse modelle van die vier verbinding stelsels te bou. Die stelsels word geïnstalleer in vier afsonderlike verbindings tussen 'n kantelbalk en 'n losstaande muur. Die onderskeie stelsels word op so 'n manier ontwerp dat hulle moment- en skuifkapasiteit verteenwoordigend is van 'n tipiese muur-tot-blad verbinding in 'n kantoorblok. Die praktyk word, sover as moontlik, nageboots in die konstruksie van die volskaalse modelle. Die hele proses vind plaas in 'n gekontroleerde omgewing en 'n beste-praktyk benadering word deurgaans gevolg. Sodra die volskaalse modelle gebou is, word hulle kapasiteit getoets deur 'n punt las op die kantelbalk te plaas om sodoende 'n buigmoment en skuifkrag by die muur-tot-blad konneksie te genereer. Die verplasing van die model word deurlopend gemonitor. Die sisteme word vergelyk op grond van die tempo in die verplasing van die kantelbalk, vorming van krake en maksimum weerstand. Die negatiewe uitwerking wat die koudbewerking op die gedrag van die muur-tot-blad verbinding het, is duidelik sigbaar in die data wat tydens die volskaalse toetse ingesamel is. Albei uit-buig sisteme vertoon minder bevredigende gedrag in vergelyking met die deurlopende bewapening sisteem. Die eksperimentele fase word gevolg deur numeriese analise van die onderskeie stelsels. Sodra die eindige element model gekalibreer en geverifieer is met die fisiese eksperimentele data, word 'n sensitiwiteitsstudie uitgevoer. Die sensitiwiteit van die strukturele respons word gemeet teen 'n reeks wisselende staalen beton eienskappe. Die resultate van hierdie studie bewys dat die strukturele gedrag aansienlik meer sensitief is vir 'n verlaging in die vloeispanning van die bewapening as vir die gebruik van 'n swakker beton. Uiteindelik word al die sisteme vergelyk met betrekking tot hulle praktiese uitvoerbaarheid, algemene beskikbaarheid, koste van materiaal en hulle strukturele gedrag. Daar word ook aanbevelings gemaak oor kwaliteitsbeheer op die bouterrein en beste-praktyk beginsels wat toegepas moet word. Ten slotte word daar bevind dat al drie alternatiewe sisteme suksesvol geïmplementeer kan word in 'n momentvaste muur-tot-vloer verbinding. Alhoewel die terrein geïnstalleerde uit-buig sisteem se strukturele gedrag die beste was, is dit moontlik dat ander faktore en projek spesifieke aspekte 'n groter rol kan speel wanneer daar op die gekose sisteem besluit moet word. Verder, om te verseker dat die strukturele gedrag van albei uitbuig-staaf konneksies in lyn is met die van die konvensionele metode, word daar aanbeveel dat die ontwerp van die konneksies aangepaste staal eienskappe in ag neem om voorsiening te maak vir die negatiewe uitwerking van die koudbewerking op die uitbuig-stawe.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2016.
Keywords
Reinforced concrete slabs, UCTD, Reinforced concrete walls, Reinforced concrete construction -- Models, Reinforced concrete construction -- Testing