Zufarihsan, Rafif (2025) Punching Failure of Reinforced Concrete and Engineered Cementitious Composite Slabs with and without Shear Reinforcement: Experimental and Finite Element Studies. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
![[thumbnail of 7012222007-Doctoral.pdf]](http://repository.its.ac.id/style/images/fileicons/text.png) |
Text
7012222007-Doctoral.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (5MB) | Request a copy |
Abstract
Punching failure in slabs typically results from high stress concentration and suboptimal shear reinforcement that may cause reinforcement congestion at the slab–column connection. This study proposes an innovative solution using Engineered Cementitious Composite (ECC) to improve punching failure response and potentially relax or replace conventional shear reinforcement in slabs. Half-scale slab specimens measuring 1.4 m × 1.4 m with a thickness of 0.13 m were tested under monotonic loading to simulate gravity loads. Control specimens included normal concrete slabs with and without minimum shear reinforcement, while low-carbon ECC slabs consisted of one without shear reinforcement and two with relaxed shear reinforcement. The objective was to evaluate ECC’s compatibility in replacing traditional shear reinforcement. Test results showed that ECC slabs without shear reinforcement achieved shear capacity equivalent to that of normal concrete slabs with minimum shear reinforcement. Furthermore, ECC slabs exhibited more ductile punching failure behavior. Crack patterns indicated that ECC effectively controlled crack propagation, confining it within the critical shear perimeter. The distribution of internal forces to the flexural reinforcement suggested that ECC helped shift the failure mode from brittle punching to flexural punching. Analytical calculations using the yield-line theory confirmed that ECC slabs approached their flexural capacity. Design evaluation with the JSCE code showed a capacity-to-design ratio of 1.04 with a coefficient of variation (COV) of 2.55%, indicating good agreement between the experimental results and the design predictions.
Finite element modeling using ATENA software was performed and validated with experimental results. Fracture-plastic constitutive models were used for concrete and ECC, incorporating smeared fixed crack and crush band approaches to simulate material damage. The model showed high accuracy, with a mean shear capacity ratio of 1.01 and COV of 5.8%. Crack patterns and deflection responses of ECC slabs were well-represented. The analysis further demonstrated that principal shear strain in ECC slabs remained well-controlled within the critical perimeter, and strain was effectively transferred to flexural reinforcement, resulting in enhanced punching failure resistance.
======================================================================================================================================
Kegagalan pons pada pelat pada umumnya terjadi akibat tingginya konsentrasi gaya dan kurang optimalnya penulangan geser yang menyebabkan kerumitan tulangan di sambungan pelat-kolom. Studi ini mengusulkan metode inovatif dalam memperbaiki respon kegagalan pons pada pelat dengan
menggunakan material engineered cementiitous composite (ECC) dalam merelaksasi bahkan menggantikan tulangan geser konvensional pada pelat. Spesimen pelat berskala 1:2 dengan ukuran bentang 1.4 m × 1.4 m dan tebal 0.13 m disiapkan. Pengujian monotonik sebagai representasi beban gravitasi
dilakukan pada dua spesimen pelat beton dengan dan tanpa tulangan geser sebagai kontrol spesimen, serta tiga pelat ECC rendah karbon terdiri dari pelat tanpa tulangan geser dan pelat dengan relaksasi tulangan geser. Evaluasi dilakukan untuk mengkaji kompatibilitas material ECC dalam merelaksasi bahkan menggantikan tulangan geser konvensional pada pelat. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kapasitas pelat ECC tanpa tulangan geser setara dengan kapasitas pelat beton normal dengan tulangan geser minimum. Selain itu, pelat ECC menunjukkan perilaku kegagalan pons yang lebih baik dengan respons yang daktail. Pola retak pasca runtuh menunjukkan kemampuan pelat ECC dalam mengontrol propagasi retak tetap berada di batas perimeter kritis tulangan geser. Selain itu, distribusi gaya yang terjadi pada tulangan lentur menunjukkan kemampuan ECC dalam mendistribusikan gaya internal dan menjadikan mode kegagalan berubah menjadi lentur pons. Hal ini diperkuat dengan hasil perhitungan analitik menggunakan yield-line theory, diperoleh
kapasitas pelat ECC mendekati kapasitas lentur dari pelat. Evaluasi dengan perhitungan desain ECC pada peraturan JSCE menunjukkan kesesuaian kapasitas geser dengan rasio rata-rata terhadap desain 1.04 dan koefisien variasi 2.55%.
Pemodelan elemen hingga dengan aplikasi ATENA dilakukan dandivalidasi dengan hasil pengujian. Konstitutif model fraktur-plastik pada beton dan ECC digunakan. Pendekatan smeared fixed crack dan crush band digunakan untuk mensimulasikan perilaku material. Dari hasil analisa model elemen hingga diperoleh akurasi yang baik, dengan rasio rata-rata kapasitas geser model terhadap eksperimen sebesar 1.01 dan koefisien variasi 5.8%. Respon defleksi dan pola retak yang terkontrol pada pelat ECC berhasil disimulasikan. Dari hasil analisa, dapat terlihat bahwa regangan geser utama pada pelat ECC terkendali di batas perimeter kritis tulangan geser dan material ECC mampu mendistribusikan
regangan dengan baik ke tulangan lentur sehingga diperoleh respon kegagalan pons yang lebih baik.
Actions (login required)
 |
View Item |