Study on the shear and punching-shear strength of reinforced concrete slabs subjected to point loads and in-plane tensile forces
Authors:   , Fernández Sánchez Pablo Gonzalo 
Published: July 2023

Reinforced concrete members, especially when subjected to concentrated loads, can fail in shear. This is an undesirable and brittle failure mode preventing the structure from deforming and reaching higher load levels. It is therefore important to investigate and understand the nature of shear failures in RC beams and slabs, which are typically not provided with shear reinforcement. Despite the exhaustive research work carried out since the beginning of the XXth century, the shear behavior of reinforced concrete elements is still not fully clear. The complex kinematics and the different contribution of the widely accepted shear resisting actions, which depend, among other parameters, on the load level and the geometry of the specimens, are part of those uncertainties that have provoked the lack of consensus that currently exist around the shear problem in structural engineering.
In this context, this thesis focuses on the shear behavior of reinforced concrete slabs without shear reinforcement subjected to point loads. On the one hand, part of the work carried out during this investigation deals with shear in one way slabs supported on linear supports. Thanks to the experimental work conducted in the last two decades, a significant database of test results is now available, which has allowed to develop and verify a new mechanical model to predict the shear strength of RC one-way slabs without shear reinforcement. It takes into account a significant number of variables involved in the phenomenon and is applicable to is applicable to simply supported slabs, cantilever slabs and situations with partial restraint to the rotation. The model is divided into two sub-models. One for loads applied close to supports, where the direct transmission of the load to the support plays an important role in the shear strength and a second one for loads applied away from supports where the possibility of a shear failure is assumed to coexist with the possibility of a local punching failure.
On the other hand, the second part of the investigation deals with the shear behavior of reinforced concrete slabs subjected to the simultaneous action of in plane tensile stresses and out-of-plane point loads. This load case has not been exhaustively studied throughout the years, and in order to contribute to gain insight into this aspects of shear design, the mechanical model recently developed at UPC for the prediction of the punching-shear strength of two-way slabs has been extended to the case of simultaneous in-plane tensile forces. A set of experimental test for the validation of the model for the particular case of uniaxial in-plane tension is also presented. In addition to that, the particular case of one-way simply supported slabs subjected to transverse tensile stresses has also been experimentally studied. This is a seldom studied load case and the conducted set of test will help to understand the overall behavior of these elements under this particular loading condition.

Los elementos de hormigón armado, especialmente cuando están sometidos a la acción de cargas puntuales, pueden alcanzar su resistencia última a esfuerzo cortante, lo cual limita su capacidad para deformarse y resistir valores de carga mayores. Este es un modo de fallo frágil y repentino, por lo que debe ser evitado. Así pues, es importante seguir investigando y comprender la naturaleza de la respuesta de vigas y losas de hormigón armado ante solicitaciones de este tipo, sobre todo cuando no están provistas de armadura de cortante. A pesar de la gran cantidad de campañas experimentales llevadas a cabo desde principios del siglo XX, el comportamiento a cortante y punzonamiento de los elementos estructurales de hormigón armado no está todavía del todo claro. La compleja cinemática y la diferente contribución de los mecanismos resistentes ampliamente aceptados, la cual depende, entre otros factores, del nivel de carga y de la geometría de los especímenes, son parte de esas incertidumbres que han provocado la falta de consenso que existe actualmente dentro del campo de la ingeniería estructural. En este contexto, esta tesis se centra en el comportamiento a cortante de losas de hormigón armado sin armadura de cortante sometidas a la acción de cargas puntuales. Por un lado, parte del trabajo realizado durante esta investigación está orientado al cortante en losas unidireccionales apoyadas sobre apoyos lineales. Gracias a todas las campañas experimentales realizadas en las últimas dos décadas, una significativa base de datos de resultados experimentales se encuentra disponible en la literatura, lo que ha permitido desarrollar y verificar un nuevo modelo mecánico para predecir la resistencia última a cortante de este tipo de elementos. Dicho modelo tiene en cuenta un número importante de variables involucradas en el fenómeno y es aplicable a losas simplemente apoyadas, en ménsula, y apoyadas en apoyos con restricción parcial al giro. El modelo se ha dividido en dos sub-modelos para facilitar su desarrollo. Uno para cargas aplicadas cerca de los apoyos, donde la transmisión directa de la carga al apoyo juega un papel importante, y un segundo para cargas aplicadas lejos de los apoyos, en donde se asume que la posibilidad del fallo por cortante coexiste con la posibilidad de un fallo local por punzonamiento. Por otro lado, la segunda parte de la investigación está focalizada en el comportamiento a cortante de losas de hormigón armado sometidas simultáneamente a la acción de cargas puntuales y tracciones en su plano. Este caso de carga no ha sido demasiado investigado a lo largo de las últimas décadas, y con la intención de contribuir a comprender esta compleja interacción, el modelo mecánico recientemente desarrollado en la UPC, para la predicción de la resistencia a punzonamiento en losas bidireccionales, ha sido extendido a este caso particular de cargas y validado con los resultados de campañas experimentales disponibles en la literatura y el conjunto de ensayos realizados como parte de esta investigación para el caso particular de tracciones unidireccionales. Adicionalmente, el efecto de las tracciones transversales en el plano en la resistencia a cortante de losas unidireccionales también ha sido estudiado experimentalmente. Esta combinación de cargas no ha sido apenas investigada y un nuevo grupo de ensayos experimentales puede contribuir a comprender el comportamiento global de este tipo de elementos ante este caso particular de carga.