Reinforced-concrete slab behaviour for various boundary conditions and in fire

Abstract Reinforced Concrete slabs are statically-efficient and cost-effective structural members often adopted in the design and construction of floors, decks and covers. Their interesting features, however, come at the cost of extra weight (in solid slabs), extra deformations (in rather thin slabs), design problems at the corners and over point supports, and demanding modeling, both in the elastic and inelastic domain. A rather simple and effective way to model R/C slab behavior is offered by the well-known Yield-Lines Method, which describes the kinematic and static behavior of thin slabs at impending collapse, for any given loading history (characterized by pre-fixed ratios among the applied loads), and independently from the previous elastic-inelastic behavior. Though its roots are to be found in the Theory of Plasticity and in Limit Analysis, the Yield-Lines Method is rather handy, and in many simple and not-so-simple cases (in which evaluating the bearing capacity by means of inelastic modeling would be very demanding) the solution can be found quite easily. In this MS thesis, the starting point is an existing heavy-duty square slab, supported along three sides and free along the fourth. The need of adding a stiffening beam along the free side requires the evaluation of the extra bearing capacity and the prediction of the failure mode, together with the check in fire conditions. Various collapse mechanisms are considered, including the coupling with the stiffening beam, and different degrees of restraint are introduced along the supported sides, together with distributed or concentrated loads. The arrangement of the reinforcement proposed by the structural designer is shown to be sound, even if a parametric analysis demonstrates that other arrangements would have been equally acceptable or even more effective. As for the structural behavior under the standard ISO 834 fire from below, the heat-weakened bottom reinforcement is shown to play a crucial role in terms of change of mechanism for different values of the fire duration, from the mechanisms mostly controlled by mid-span bending towards those mostly controlled by boundary restraints and corner effects. The Yield-Lines Method is shown – once more - to be a valuable tool to predict R/C slabs resistance, even in the severe environmental conditions ensuing from a fire.

Sommario Le piastre in calcestruzzo armato sono elementi strutturali staticamente efficienti e dal costo limitato, spesso adottati nella progettazione e nella costruzione di strutture bidimensionali inflesse, quali pavimentazioni, solette e coperture. Queste interessanti caratteristiche, tuttavia, comportano in generale un aggravio di peso (nelle piastre a tutto spessore), elevata deformabilità (nelle piastre piuttosto sottili), problemi statici agli angoli ed in corrispondenza dei punti di applicazione dei carichi concentrati, e difficoltà di modellazione in campo sia elastico, che inelastico. Un metodo piuttosto semplice ed efficace per modellare il comportamento delle piastre in c.a. al collasso è il ben noto metodo delle “linee di plasticizzazione” o “di rottura”, che descrive il comportamento statico e cinematico delle piastre sottili in c.a. all’incipiente collasso, per assegnata storia dei carichi (con rapporti prefissati fra i differenti carichi) ed indipendentemente dal comportamento elastico-inelastico precedente il collasso. Sebbene alla radice del metodo vi sia la Teoria della Plasticità e l’Analisi Limite, il metodo delle linee di plasticizzazione è piuttosto maneggevole al punto da fornire facilmente la soluzione (in termini di carico ultimo e di modalità di collasso) in molti semplici e non tanto semplici casi, per i quali l’analisi inelastica (non lineare) sarebbe molto impegnativa. In questa tesi di Laurea Magistrale viene fatto riferimento ad una piastra pressochè quadrata, destinata a sorreggere carichi pesanti, appoggiata lungo tre lati e libera lungo il quarto lato. La necessità di aggiungere una treve di irrigidimento lungo il lato libero ha richiesto la valutazione dell’ulteriore capacità portante offerta dalla trave e delle nuove modalità di collasso, sia in condizioni ambientali normali che in presenza di incendio standard dal di sotto. Vengono considerati vari meccanismi di collasso, che includono – o meno – l’accoppiamento con la trave di bordo, e vari livelli di incastro lungo i lati appoggiati, in presenza di carico uniformemente distribuito oppure concentrato su un’area ristretta. Il quantitativo e la disposizione dell’armatura previsti dal Progettista risultano corretti, anche se l’analisi parametrica fatta dall’autore dimostra che altre disposizioni dell’armatura sarebbero state ugualmente efficaci o addirittura più efficaci. Per quanto riguarda il comportamento della piastra in presenza di incendio standard ISO 834 agente dal basso, l’armatura all’intradosso – più calda e destinata ad un più rapido degrado meccanico – gioca un ruolo cruciale nell’evoluzione delle modalità di collasso, che possono cambiare al procedere dell’incendio, da meccanismi prevalentemente controllati dalla flessione nella zona centrale a meccanismi prevalentemente controllati dalle condizioni di vincolo al contorno e dagli effetti di spigolo. Il metodo delle Linee di Plasticizzazione dimostra una volta di più di essere un prezioso strumento per valutare la resistenza ultima (o capacità portante), anche nelle gravose condizioni ambientali rappresentate dall’incendio.