Badania porównawcze belek żelbetowych na ścinanie. Opracowanie: Centrum Promocji Jakości Stali

Transkrypt

1 Badania porównawcze belek żelbetowych na ścinanie Opracowanie:

2 Spis treści Strona 1. Cel badania 3 2. Opis stanowiska oraz modeli do badań Modele do badań Stanowisko do badań 4 3. Materiały 6 4. Opis badania 6 5. Wyniki Ugięcia Zarysowania Zniszczenie 8 6. Wnioski 9 2

3 1. Cel badania Celem badań było określenie różnic w zachowaniu się jednoprzęsłowej belki żelbetowej zbrojonej poprzecznie strzemionami wykonanymi w jednym przypadku ze stali o podwyższonej ciągliwości EPSTAL (typ C wg EC2) oraz w drugim przypadku ze stali zimnowalcowanej o średniej ciągliwości (typ B wg EC2). 2. Opis stanowiska oraz modeli do badań 2.1. Modele do badań Modele do badań stanowiły dwa zestawy jednoprzęsłowych belek żelbetowych, o wymiarach przekroju poprzecznego 0,4 m x 0,2 m oraz długości 4,0 m. Każdy zestaw składał się z dwóch belek o różnych średnicach strzemion: 8mm i 10mm. Belki podparto na dwóch podporach w rozstawie osiowym równym 3,4 m. Przyjęto obciążenie przęsła belek dwoma siłami skupionymi według schematu przedstawionego na rys.1. Położenie sił skupionych dobrano tak, aby uzyskać w środku rozpiętości stałą wartość momentu zginającego od obciążenia zewnętrznego i możliwie jak najdłuższy odcinek ścinania. Rys. 1. Schemat obciążania modeli. Zbrojenie podłużne wszystkich modeli składało się z prostych prętów zbrojeniowych średnicy φ20 wykonanych ze stali EPSTAL. Przy dolnej krawędzi belek, w strefie rozciąganej zastosowano 8φ20 w dwóch rzędach, natomiast górą w strefie ściskanej 4φ20 w dwóch rzędach. Zbrojenie dolne dobrano w ten sposób, aby nie nastąpiła utrata nośności na zginanie w przekrojach maksymalnego momentu zginającego przy jednoczesnym zniszczeniu ze względu na ścinanie. Zbrojenie poprzeczne stanowiły strzemiona prostopadłe do osi belki, wykonane ze stali typu B lub C, o średnicach φ8 lub φ10. Podłużny rozstaw strzemion obu średnic dobrano w ten sposób, aby uzyskać podobne nośności na ścinanie odcinków przypodporowych (z ~25% zapasem nośności na zginanie). Strzemiona średnicy 8 mm na odcinkach podporowych rozmieszczano co s 1 = 20 cm, natomiast średnicy 10 mm co 25 cm. Na środkowym odcinku pomiędzy miejscami przyłożenia sił skupionych strzemiona rozmieszczono co 30 cm. Na wspornikach, ze względu na występowanie dużych sił docisku w strefie zakotwienia mechanicznego dolnych prętów podłużnych, strzemiona rozmieszczono co 7,5 cm. Procent zbrojenia modeli wynosił odpowiednio: ρ 1 =3,62% (strzemiona φ8) i ρ 1 =3,64% (strzemiona 10φ). Otulina wszystkich prętów zbrojenia podłużnego wynosiła c nom = 25 mm, a zbrojenia poprzecznego c nom = 15 mm i we wszystkich belkach była taka sama. Schemat konstrukcyjny zbrojenia przedstawiono na rys. 2. 3

4 Rys. 2. Zbrojenie modeli badawczych Stanowisko do badań Modele badano w specjalnie do tego celu wykonanym stanowisku złożonym ze stalowej ramy, ustawionej współosiowo z belką. Rama składałaa się z dwóch pionowych, sztywno połączonych z,,płytą wielkich sił słupów oraz rygla o regulowanym położeniu. Do rygla ramy przymocowano siłownik hydrauliczny wywołujący obciążenie, które następnie było rozdzielane i przekazywane na element badawczy w postaci dwóch sil skupionych. Model badawczy oparto na dwóch podporach: przegubowo Przesuwnej (A) oraz przegubowo nieprzesuwnej (B). Składały się z betonowego bloku o wymiarach 0,4 0,4 1,10 m na którym na warstwie zaprawy cementowej umieszczonoo stalowe płyty stanowiące oparcie dla łożysk. Schemat stanowiska oraz widok na stanowisko przedstawionoo na rys. 3, 4 i 5. 4

5 Rys. 3. Schemat stanowiska badawczego Rys. 4. Widok stanowiska badawczego. 5

6 3. Materiały Do wykonania modeli badawczych wykorzystano następujące materiały: Beton zwykły o klasie wytrzymałości C 20/25 Stal zbrojeniową o gatunku zależnym od zestawu belek: Zestaw pierwszy (BSI) Zestaw drugi (BSII) Stal o dużej ciągliwości EPSTAL (SI) Klasa C wg EC2 Stal o średniej ciągliwości (SII) Klasa B wg EC2 ɛ uk > 7,5 % f tk /f yk > 1,15 5 % < ɛ uk < 7,5 % f tk /f yk > 1,08 4. Opis badania Program badania wszystkich modeli obejmował 2 cykle obciążenia i odciążenia. W pierwszym cyklu zrealizowano obciążenie o wartości około 1% (5 kn) przewidywanego obciążenia niszczącego wynoszącego około 500 kn, kontrolując tym samym wskazania aparatury pomiarowej oraz dopasowując ruchome elementy stanowiska do pozycji wyjściowych. W drugim cyklu modele obciążano każdorazowo monotonicznie do momentu, gdy nie rejestrowano przyrostu siły na siłomierzach przy jednoczesnym przyroście ugięć przęseł belek. Do wartości obciążenia F=100 kn obciążenie zwiększano skokowo co 5 kn, a następnie, przy obciążeniu F > 100 kn, co 10 kn. Każdorazowo dokonywano za pośrednictwem automatycznego stanowiska pomiarowego (ASP) rejestracji ugięć linii środkowej belek oraz pomiaru siły F na siłomierzu. Oprócz tego od momentu powstania pierwszych widocznych rys prowadzono pomiar szerokości ich rozwarcia za pomocą lupy Brinella o dokładności 0,05 mm. Rys.5. Cykle obciążania modeli 6

7 5. Wyniki 5.1. Ugięcia Ugięcia belek do obciążenia rzędu 200 kn, były bardzo podobne i wynosiły około 5 mm. Wraz ze wzrostem siły F obserwowano nieco większe ugięcia belek zbrojonych stalą SII (stal zimnowalcowana typu B) w stosunku do belek zbrojonych poprzecznie stalą SI (stal EPSTAL). Przy obciążeniu F=460 kn strzałka ugięcia belek zbrojonych stalą SI wynosiła około 19 mm, natomiast belek serii BsII 20,5 mm. Przy największym obciążeniu zapisanym przez aparaturę belki serii BsII wykazywały ugięcie rzędu 22 mm podczas gdy belki serii BsI rzędu 20 mm. Ponieważ po zniszczeniu belki oparły się na elementach zabezpieczających, trudno jednoznacznie stwierdzić czy odczytane przemieszczenia przy ostatniej sile zarejestrowanej przez aparaturę są rzeczywiste. Zestawienie wartości przemieszczeń środka przęseł zamieszczono w tab.1. Belka Obciążenie F u [kn] Średnie przemieszczenie środka przęsła [mm] BsI/ ,9 19,58 BsI/ ,5 19,36 BsII/ ,7 21,79 BsII/ ,5 21,83 Tab.1 Zestawienie średnich przemieszczeń środka przęseł przy największej zarejestrowanej przez sile 5.2. Zarysowania Mechanizm powstania zarysowań w przypadku wszystkich zbadanych belek był podobny. Pierwsze widoczne gołym okiem rysy o rozwartości 0,05 mm powstawały w środku rozpiętości przęseł. Wzrost obciążenia prowadził do rozwoju i powstawania nowych rys prostopadłych od osi podłużnej belek oraz rys ukośnych w strefach przypodporowych. Wartości sił rysujących przedstawiono w tab. 2. Wartość siły rysującej Nazwa modelu Podpora,,lewa F cru,l Środek przęsła F cr Podpora,,prawa F cru,p BSI/8 138,3 kn 49,5 kn 108,4 kn BSI/10 137,8 kn 43,7 kn 118,2 kn BSII/8 138,8 kn 28,4 kn 138,8 kn BSII/10 140,3 kn 29,4 kn 119,2 kn Tab.2 Wartości sił rysujących Dodatkowo, w belkach zbrojonych strzemionami ze stali EPSTAL (BSI) oraz w belce ze strzemionami ɸ10 ze stali klasy B (BSII/10), pojawiło się zarysowanie poprzeczne (nad strzemionami) i podłużne (nad prętami podłużnymi) górnej powierzchni belek (rys. 6). 7

8 a) b) c) Rys. 61. Zarysowanie górnej powierzchni belek: a) BSI/8, b) BSI/10, c) BSII/ Zniszczenie Wszystkie belki uległy zniszczeniu ze względu na ścinanie odcinka przypodporowego od strony podpory przegubowo nieprzesuwnej. W belkach zbrojonych strzemionami ze stali EPSTAL (BSI) oraz w belce ze strzemionami ɸ10 ze stali klasy B (BSII/10), w których wystąpiły zarysowania poprzeczne i podłużne górnej powierzchni, dochodziło do prostowania się haków strzemion i odpadnięcia bocznej i górnej otuliny zbrojenia (rys. 7). a) b) c) Rys.7 Rozgięcie haków belek: a) BSI/8, b) BSI/10, c) BSII/10. W belce BSII/8 obserwowano inny mechanizm zniszczenia. Kiedy rysy ukośne osiągnęły punkt przyłożenia obciążenia skupionego nastąpiło gwałtowne zerwanie obu ramion jednego ze strzemion i upadek belki na drewniane podpory tymczasowe (rys. 8). W trakcie oględzin belki nie stwierdzono zarysowań górnej powierzchni ani rozgięcia haków strzemion, podobnie jak w przypadku pozostałych belek odpadła otulina zbrojenia z bocznych powierzchni belek. 8

9 Rys.8. Obraz zniszczenia belki BSII/8 6. Wnioski Na podstawie przeprowadzonego badania zaobserwowano różnicę w sposobie utraty nośności odcinków przypodporowych w zależności od stali zastosowanej do wykonania strzemion. W przypadku belki zbrojonej strzemionami ɸ8 ze stali SII (zimnowalcowanej) utrata nośności była skutkiem zerwania się jednego ze strzemion. Natomiast w przypadku belek zbrojonych strzemionami ze stali EPSTAL (BSI) oraz w belce ze strzemionami ɸ10 ze stali klasy B (BSII/10), utrata stateczności nastąpiła wskutek prostowania się haków strzemion. Takie zachowanie wskazuje na złe zakotwienie strzemion belek, które nie pozwala na optymalne wykorzystanie parametrów stali z jakiej wykonano strzemiona. Przeprowadzone badanie jest więc punktem wyjścia do kolejnych badań, mających na celu ustalenie odpowiedniego kształtu strzemion, gwarantującego ich właściwe zakotwienie. Opracowanie przygotowano na podstawie pracy pt.: Badanie porównawcze belek żelbetowych na ścinanie autorstwa: Prof. dr hab. inż. Włodzimierza STAROSOLSKIEGO* Dr inż. Radosława JASIŃSKIEGO* Mgr inż. Radosława KUPCZYKA* Mgr inż. Mirosława WIECZORKA* * Katedra Konstrukcji Budowlanych, Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej 9

10 Ul. Koszykowa Warszawa Tel.: Tel. Fax: