Timber-Concrete Composite (TCC) beams: a numerical and environmental assessment of the influence of the connection’s behavior

Timber-concrete composite (TCC) structures offer a promising sustainable solution by combining concrete's compressive strength with timber's tensile efficiency. The system's performance hinges on its shear connections, which are critical for achieving composite action. This study numerically investigates these connections using a validated Finite Element Method (FEM) approach in Abaqus. The models incorporated advanced material laws and were validated against experimental push-out and bending tests from the literature. Numerical results, including load-slip curves and deflections, showed good agreement with data from bending tests (Radovan et al. 2023, Gutkowski et al. 2007, Yafeng et al. 2021) and dedicated push-out tests (Shi et al. 2022). The core analysis focused on effective bending stiffness (EIeff). The results were systematically derived from numerical simulations and then compared against experimental data and analytical predictions from Eurocode 5. For hybrid notch-and-screw connections, the study successfully validated a novel hybrid-analytical method that provided consistent agreement with numerical and experimental results. Furthermore, an in-depth stress analysis revealed critical stress concentrations and predicted properly failure modes in timber and fasteners, while also discussing the fastener yielding behavior. Finally, a simplified Life Cycle Assessment (LCA) confirmed that TCC systems can offer a lower Global Warming Potential (GWP) compared to traditional alternatives. Ultimately, this work provides a numerical tool, presents new pathways for analyzing complex connections, and advances the methodology for designing reliable and sustainable TCC floor systems.

Le strutture composte legno-calcestruzzo (TCC) offrono una promettente soluzione sostenibile, combinando la resistenza a compressione del calcestruzzo con l'efficienza a trazione del legno. Le prestazioni del sistema dipendono dai collegamenti a taglio, che sono fondamentali per ottenere un’azione composita. Questo studio indaga numericamente tali collegamenti utilizzando un approccio con il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) validato in Abaqus. I modelli hanno incorporato leggi dei materiali avanzate e sono stati validati mediante test sperimentali di push-out e di flessione tratti dalla letteratura. I risultati numerici, incluse le curve carico-slittamento e le deflessioni, hanno mostrato una buona corrispondenza con i dati dei test di flessione (Radovan et al. 2023, Gutkowski et al. 2007, Yafeng et al. 2021) e dei test push-out dedicati (Shi et al. 2022). L'analisi principale si è concentrata sulla rigidezza flessionale efficace (EIeff). I risultati sono stati sistematicamente ottenuti tramite simulazioni numeriche e successivamente confrontati con i dati sperimentali e con le previsioni analitiche dell’Eurocodice 5. Per i collegamenti ibridi a intaglio e vite, lo studio ha validato con successo un nuovo metodo ibrido-analitico che ha mostrato una coerenza costante con i risultati numerici e sperimentali. Inoltre, un’analisi approfondita degli sforzi ha evidenziato concentrazioni critiche di tensioni e ha previsto correttamente le modalità di rottura nel legno e nei connettori, discutendo anche il comportamento di snervamento dei connettori. Infine, una Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) semplificata ha confermato che i sistemi TCC possono offrire un minore Potenziale di Riscaldamento Globale (GWP) rispetto alle alternative tradizionali. In definitiva, questo lavoro fornisce uno strumento numerico, propone nuovi approcci per analizzare collegamenti complessi e contribuisce all'avanzamento della metodologia per la progettazione di solai TCC affidabili e sostenibili.