A probabilistic assessment of tensile membrane actions in laterally unrestrained reinforced concrete floor-slabs and possible broader implications for architectural design

Tensile membrane action (TMA) is a structural mechanism that enhances the ultimate load-bearing capacity of laterally restrained and unrestrained reinforced concrete (RC) slabs undergoing large deflections. It is thus significant for the robustness assessment of buildings. Bailey’s Enhancement Factor approach is among the most consolidated and easily applicable analytical models quantifying this effect in the context of laterally unrestrained RC slabs. The focus of the present thesis is to investigate how the probabilistic treatment of Bailey’s method affects the calculation of the ultimate failure load, examined in the context of an experimental study from existing literature. In the analysis, stochastic parameters are distinguished into material properties and geometric parameters, considered both separately and collectively. It is found that computing the enhancement factor probabilistically results in more accurate estimations of the ultimate load. The stochastic modelling of the effective depth and reinforcement yield strength, affects the ultimate load most significantly. Considering all variables stochastically compounds this effect but resulting ultimate load may overestimate the actual failure load. In contrast, the stochastic modelling of section height, nominal cover, or concrete compressive strength yield more accurate ultimate load predictions that are conservative in all instances. The stochastically computed yield line load further constitutes a better, and conservative, estimate of the actual failure load than the deterministic computation of Bailey’s method. A parametric study is conducted varying both the representative slab geometries (planar dimensions; section height), and other parameters (cover, bar-diameter, concrete compressive strength, and reinforcement yield strength), based on an architectural project developed during the MSc course. In all cases, the probabilistic computation predicts ~20% larger ultimate load values compared to those values computed using a deterministic approach. Bailey’s Enhancement Factor typically increases with increases in each parameter, although this is not necessarily reflected by the ultimate load of respective cases. Notably, larger slabs yield larger TMA enhancements, despite reduced failure loads.

Il comportamento membranale a trazione è un meccanismo strutturale che aumenta la capacità portante ultima di piastre in cemento armato (c.a.) lateralmente vincolate e non vincolate che subiscono grandi deformazioni. Questo meccanismo è quindi significativo per la valutazione della robustezza degli edifici. L'approccio denominato “Enhancement Factor” (fattore di miglioramento) proposto da Bailey è tra i modelli analitici più consolidati e facilmente applicabili che quantificano questo effetto nel contesto di piastre in c.a. non vincolate lateralmente. L’obbiettivo della presente tesi è indagare come il trattamento probabilistico del metodo di Bailey influisca sul calcolo del carico ultimo, esaminato nel contesto di uno studio sperimentale tratto dalla letteratura esistente. Nell'analisi, i parametri stocastici si distinguono in proprietà dei materiali e parametri geometrici, considerati sia separatamente che collettivamente. Si è riscontrato che il calcolo probabilistico del fattore di miglioramento porta a stime più accurate del carico ultimo. La modellazione stocastica dell’altezza utile e della resistenza allo snervamento dell'armatura influisce in modo più significativo sul carico ultimo. Considerare tutte le variabili in modo stocastico aggrava questo effetto, ma il carico ultimo risultante può sovrastimare il carico ultimo reale. Al contrario, la modellazione stocastica dello spessore della piastra, del copriferro nominale o della resistenza del calcestruzzo a compressione fornisce previsioni del carico ultimo più accurate e conservative in tutti i casi. Il carico calcolato stocasticamente con le linee di plasticizzazione costituisce inoltre una migliore stima e più conservativa del carico ultimo effettivo rispetto al calcolo deterministico del metodo di Bailey. Viene infine condotto uno studio parametrico variando sia le proprietà geometrie rappresentative della piastra (dimensioni in pianta; spessore della piastra) sia altri parametri (copriferro, diametro dell’armatura, resistenza a compressione del calcestruzzo e resistenza di snervamento dell'armatura), sulla base di un progetto architettonico sviluppato durante il corso di laurea magistrale. In tutti i casi, il calcolo probabilistico prevede valori del carico ultimo maggiori del ~20% rispetto al caso in cui il carico ultimo si calcolato con un approccio deterministico valori siano deterministici. Il fattore di miglioramento in genere aumenta con l'aumento di ciascun parametro, sebbene ciò non sia necessariamente riflesso dal carico ultimo dei rispettivi casi. In particolare, piastre con luci maggiori forniscono azioni membranali maggiori, nonostante i carichi di rottura siano ridotti.