مطالعه‌ی تجربی سقف کامپوزیت متشکل از دال پیش ساخته‌ی بتنی با عملکرد بالا، تیر فولادی و گروت پرمقاومت به عنوان کلید برشی تحت بارگذاری گسترده

میرمقتدایی, سیدپارسا; مستوفی نژاد, داود; افتخار, محمدرضا

doi:10.22065/jsce.2025.547780.3820

مطالعه‌ی تجربی سقف کامپوزیت متشکل از دال پیش ساخته‌ی بتنی با عملکرد بالا، تیر فولادی و گروت پرمقاومت به عنوان کلید برشی تحت بارگذاری گسترده

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

سیدپارسا میرمقتدایی ¹

داود مستوفی نژاد ²

محمدرضا افتخار ³

¹ کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

² استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

³ دانشیار، دانشکدة مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

10.22065/jsce.2025.547780.3820

چکیده

در سازه‌های فولادی، انتخاب سیستم سقفی که وزن مرده‌ی سازه و میزان عملیات اجرایی را کاهش و سرعت ساخت را افزایش دهد، بسیار حائز اهمیت است. سقف‌های کامپوزیت فولادی-بتنی از رایج‌ترین سیستم‌های سقف کامپوزیت هستند؛ اما وابستگی اجرایی آن‌ها به ورق عرشه فولادی، قالب‌ بندی و بتن ‌ریزی درجا باعث می‌شود که بی نقص نباشند. در این پژوهش سقف کامپوزیت فولادی-بتنی نوینی معرفی شده است که از دال‌های پیش ساخته‌ی بتنی با عملکرد بالا (HPC)، تیرهای فولادی دارای برش گیر و گروت منبسط‌شونده‌ی پرمقاومت به عنوان کلید برشی در دو جهت طولی و عرضی تشکیل شده است. این سیستم مشکلات ذکرشده‌ی سیستم‌های سقف کامپوزیت متداول را برطرف می‌کند. دال‌های پیش‌ساخته‌ی بتنی نازک با عملکرد بالا با کاهش وزن کل سازه و نیرو‌ی زلزله، امکان استفاده از اعضای سازه‌ای ظریف‌تر را فراهم کرده و سرعت ساخت را افزایش می‌دهند. برای ارزیابی دقیق‌تر عملکرد کامپوزیت در سیستم پیشنهادی، یک نمونه‌ی کامپوزیت تحت بارگذاری گسترده قرار گرفت. این نمونه برخلاف اغلب مطالعات پیشین، دارای دو دهانه، چندین دال پیش‌ ساخته و ابعاد تمام‌ مقیاس بود. پس از تحمل 15/2 کیلو نیوتن بر متر مربع بار گسترده، نمونه‌ی کامپوزیت نه‌تنها دچار شکست نشد، بلکه تغییرشکل پلاستیک نیز تجربه نکرد. حداکثر تغییر مکان تیر میانی نمونه‌ی کامپوزیت 6/7٪ کمتر از یک سقف کامپوزیت فولادی-بتنی با بتن ریزی درجا و دارای ابعاد مشابه بود. بر اساس آیین‌نامه‌های AISC 360-22 و ASCE/SEI 7-22، نمونه‌ی کامپوزیت الزامات حداکثر تغییرمکان مجاز حالت بهره‌برداری و بارگذاری حداقل طراحی برای اغلب ساختمان‌های مسکونی و اداری را برآورده می‌سازد. این سیستم پیشنهادی یک راهکار مطمئن، کارآمد و سریع برای اجرای سقف در سازه‌های فولادی ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

دال پیش ساخته‌ی بتنی

بتن پرمقاومت با عملکرد بالا (HPC)

سقف کامپوزیت فولادی-بتنی

گروت پرمقاومت

بارگذاری گسترده

موضوعات

صنعتی سازی و فن آوری های نوین ساخت

عنوان مقاله English

Experimental study on precast HPC slab-steel composite floor with high-strength grout shear key under uniform stacking loading

نویسندگان English

Sayed Parsa Mirmoghtadaei ¹

Davood Mostofinejad ²

Mohammad Reza Eftekhar ³

¹ Master of Science, Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

² Professor, Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

³ Associate Professor, Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran

چکیده English

In steel structures, selecting a floor system that lowers the structure’s self-weight, reduces labor-intensive tasks, and accelerates construction is crucial. Conventional steel-concrete composite floors are among the most commonly used composite floor systems, but the need for steel decking, temporary formwork, and in-situ concreting stops them from being ideal. This study introduces an innovative steel-concrete composite floor system, comprising precast high-performance concrete (HPC) slabs, steel beams with pre-welded shear studs, and high-strength expansive grout as a shear key, in both longitudinal and transverse directions. This composite floor system eliminates the above-mentioned problems of conventional steel-concrete composite floors. Thin HPC precast slabs lower the overall structural weight and seismic forces, facilitate the use of slender structural members, and accelerate construction. For more accurate evaluation of the composite action in the proposed floor system, a composite specimen was subjected to uniform stacking loading, which, unlike most previous research studies, takes advantage of having two spans, multiple precast slabs, and full-scale size. After bearing 15.2 kN/m² of uniform stacking load, the composite specimen not only did not fail, but also did not experience plastic deformation. The maximum deflection of the specimen’s middle beam was 6.7% less than that of an equal-sized in-situ steel-concrete composite floor. According to AISC 360-22 and ASCE/SEI 7-22, the composite specimen satisfies the serviceability deflection limit and minimum design loads for most residential and office uses. The proposed composite floor offers a reliable and efficient solution that expedites flooring in steel structures.

کلیدواژه‌ها English

Precast concrete slab

HPC

Steel-concrete composite floor

High-strength grout

Uniform loading

[1] Block, P., Calvo Barentin, C., Ranaudo, F. and Paulson, N. (2020). Imposing challenges, disruptive changes: rethinking the floor slab. In: The Materials Book. Berlin: Ruby Press, pp.214–219.

[2] Tan, X., Fang, Z., Peng, Z., Zheng, H., Tang, S. and Liao, Y. (2022). Tensile behavior of a prefabricated Steel–UHPC composite deck system with notched perfobond strips. Engineering Structures, 268, p.114737. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.114737

[3] Han, C.X., He, H.L., Luo, Q.J., Zhao, Y.L. and Zhang, J.C. (2024). Experimental and theoretical study on static performance of prefabricated steel-bar truss frame-precast concrete composite hollow-core slabs. Structures, 61, p.105971. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.105971

[4] Pang, R., Zhang, L., Zhang, T., Dang, L. and Wang, W. (2023). Experimental study and numerical simulation on the transverse force transmission mechanism of discretely connected precast RC floor. Structures, 56, p.104842. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2023.07.032

[5] Wang, H., Liu, X.G., Yue, Q.R. and Zheng, M.Z. (2022). Shear resistance of a novel wet connection for prefabricated composite beams under shear-bending coupling loading. Journal of Building Engineering, 45, p.103636. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103636

[6] Wang, H., Wang, N., Liu, X.G., Yue, Q.R., Yan, J.L. and Zhang, Y. (2024). Effects of UHPC shear key on strengthening shear performances of wet joint in prefabricated composite beams. Engineering Structures, 299, p.117130. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.117130

[7] Yan, J.L., Liu, H., Zhang, Y., Yue, Q. and Liu, X.G. (2024). Tensile and flexural performances of prefabricated slabs with wet UHPC connection. Journal of Building Engineering, 93, p.109870. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109870

[8] Fang, S., Zhang, S., Cao, Z., Zhao, G., Fang, Z., Ma, Y. and Jiang, H. (2023). Effects of stud aspect ratio and cover thickness on push-out performance of thin full-depth precast UHPC slabs with grouped short studs: Experimental evaluation and design considerations. Journal of Building Engineering, 67, p.105910. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.105910

[9] Fang, Z., Fang, H., Huang, J., Jiang, H. and Chen, G. (2022). Static behavior of grouped stud shear connectors in steel–precast UHPC composite structures containing thin full-depth slabs. Engineering Structures, 252, p.113484. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.113484

[10] Benedetty, C.A., dos Santos, V.B., Krahl, P.A., Rossi, A., de Andrade Silva, F., Cardoso, D.C.T. and Martins, C.H. (2023). Flexural and shear behavior of steel-UHPC composite beams: a review. Engineering Structures, 293, p.116649. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.116649

[11] Zhang, Y., Cai, S., Zhu, Y., Fan, L. and Shao, X. (2020). Flexural responses of steel-UHPC composite beams under hogging moment. Engineering Structures, 206, p.110134. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.110134

[12] Zhu, Y., Zhang, Y., Hussein, H.H. and Cai, S. (2020). Flexural study on UHPC–steel composite beams with joints under negative bending moment. Journal of Bridge Engineering, 25(10), p.04020084. https://doi.org/10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001619

[13] de Oliveira, V.M., dos Santos, V.B., Rossi, A., Benedito, A.V., Krahl, P.A., Martins, C.H., de Andrade Silva, F. and Cardoso, D.C.T. (2025). Steel-UHPC composite castellated beams under hogging bending: Experimental and numerical investigation. Engineering Structures, 331, p.120012. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2025.120012

[14] Lopes, E. and Simoes, R. (2008). Experimental and analytical behaviour of composite slabs. Steel and Composite Structures, 8(5), pp.361–388. https://doi.org/10.12989/SCS.2008.8.5.361

[15] Melcher, J., Karmazinova, M., Krsik, J. and Krivakova, J. (2016). Verification of experiment of vacuum loading on slab. In: Advances and Trends in Engineering Sciences and Technologies II: Proceedings of the 2nd International Conference on Engineering Sciences and Technologies. High Tatras Mountains, Slovak Republic: CRC Press, pp.201. https://doi.org/10.1201/9781315393827-36

[16] Shen, G.L. (2001). Performance evaluation of new corrugated-type embossments for composite deck. PhD thesis. Virginia Tech. Available at: http://hdl.handle.net/10919/34452 [Accessed 8 September 2025].

[17] John, K., Ashraf, M., Weiss, M. and Al-Ameri, R. (2023). Experimental study and numerical modelling of a novel two-way steel-concrete composite slab. Structures, 57, p.105096. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2023.105096

[18] Hamada, H.M., Abed, F., Katman, H.Y.B., Humada, A.M., Al Jawahery, M.S., Majdi, A., Yousif, S.T. and Thomas, B.S. (2023). Effect of silica fume on the properties of sustainable cement concrete. Journal of Materials Research and Technology, 24, pp.8887–8908. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.05.147

[19] Mostofinejad, D., Bahmani, H. and Afshar, J. (2023). Prediction of mechanical properties of high-performance concrete (HPC) reinforced with steel fibers. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, 47(4), pp.1971–1993. https://doi.org/10.1007/s40996-023-01126-6

[20] Sanjuán, M.Á., Argiz, C., Gálvez, J.C. and Moragues, A. (2015). Effect of silica fume fineness on the improvement of Portland cement strength performance. Construction and Building Materials, 96, pp.55–64. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.07.092

[21] ASTM International. (2024). ASTM C39/C39M-24: Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. West Conshohocken, PA: ASTM International. Available at: https://www.astm.org [Accessed 8 September 2025].

[22] ASTM International. (2021). ASTM C1611/C1611M-21: Standard Test Method for Slump Flow of Self-Consolidating Concrete. West Conshohocken, PA: ASTM International. Available at: https://www.astm.org [Accessed 8 September 2025].

[23] ASTM International. (2017). ASTM D3039/D3039M-17: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. West Conshohocken, PA: ASTM International. Available at: https://www.astm.org [Accessed 8 September 2025].

[24] ASTM International. (2024). ASTM E8/E8M-24: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. West Conshohocken, PA: ASTM International. Available at: https://www.astm.org [Accessed 8 September 2025].

[25] Iran Concrete Technical Specialized Clinic Group. (2025). Dezoflow FH-1000. Tehran (IR). Available at: https://clinicbeton.com [Accessed 8 September 2025].

[26] ASTM International. (2020). ASTM C1437-20: Standard Test Method for Flow of Hydraulic Cement Mortar. West Conshohocken, PA: ASTM International. Available at: https://www.astm.org [Accessed 8 September 2025].

[27] ASTM International. (2023). ASTM C230/C230M-23: Standard Specification for Flow Table for Use in Tests of Hydraulic Cement. West Conshohocken, PA: ASTM International. Available at: https://www.astm.org [Accessed 8 September 2025].

[28] Noor, F.A. and Boswell, L.F. (1992). Small scale modelling of concrete structures. London: Elsevier Applied Science.

[29] American Institute of Steel Construction (AISC). (2022). ANSI/AISC 360-22: Specification for structural steel buildings. Chicago, IL: American Institute of Steel Construction.

[30] Opkon Optic Elektronik A.S. (2025). OPKON LPS 100. Available at: https://www.opkon.com.tr/Content/product/pdf/pdf-6f5cef66.pdf [Accessed 8 September 2025].

[31] Tokyo Measuring Instruments Laboratory Co., Ltd. (TML). (2025). Data Logger TDS-540. Available at: https://www.tml.jp/eng/documents/Catalog/TDS-540_E3011F.pdf [Accessed 8 September 2025].

[32] American Society of Civil Engineers (ASCE). (2022). ASCE/SEI 7-22: Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures. Reston, VA: ASCE. https://doi.org/10.1061/9780784415788