BADANIA NOSNOŚCI NA ZGINANIE I UGIĘĆ BELEK ZESPOLONYCH TYPU STALOWA BLACHA-BETON

Transkrypt

1 BADANIA NOSNOŚCI NA ZGINANIE I UGIĘĆ BELEK ZESPOLONYCH TYPU STALOWA BLACHA-BETON KISAŁA DAWID 1. PROGRAM BADAŃ WŁASNYCH 1.1. WPROWADZENIE Badania doświadczalne belek zespolonych typu stalowa blacha-beton zostaną wykonane w celu weryfikacji zaproponowanych w pracy doktorskiej rozwiązań teoretycznych. Eksperyment będzie przeprowadzony na zespolonych belkach typu stalowa blacha-beton, które będą różniły się parametrami, których wpływ na pracę elementu zostanie poddany analizie. W czasie testów belki zostaną wyposażone w aparaturę pozwalającą na pomiar interesujących wartości takich jak: ugięcia, obroty, odkształcenia w betonie i w płycie oraz poślizg pomiędzy stalową płytą, a betonem. Dodatkowym elementem badań będzie określenie kluczowych z punktu widzenia analiz teoretycznych i numerycznych właściwości zastosowanych materiałów. W przypadku betonu, badania zostaną przeprowadzone na normowych próbkach walcowych i belkach. Dla zastosowanych stali zostaną przeprowadzone badania w statycznej próbie rozciągania, które pozwolą potwierdzić wartości parametrów z atestami dostarczonymi od producenta. Ponadto dla łączników zostanie wyznaczona zależność pomiędzy siłą, a przemieszczeniem w celu poprawnej charakterystyki tego elementu konstrukcji ZAKRES BADAŃ Zakres badań doświadczalnych został dobrany w taki sposób, aby eksperymentalnie potwierdzić zaproponowane rozwiązania własne. Wyróżnić można dwa zasadnicze rodzaje badań: 1. badania wstępne materiałów, w których zweryfikowane zostaną interesujące z punktu widzenia badań zasadniczych właściwości materiałów. Określone zostaną: a. wytrzymałość betonu na ściskanie, b. wytrzymałość betonu na rozciąganie, c. moduł sprężystości betonu, d. granica plastyczności stali (prętów zbrojeniowych i stalowej blachy), e. wytrzymałość na rozciąganie stali (prętów zbrojeniowych i stalowej blachy), f. moduł sprężystości stali (prętów zbrojeniowych i stalowej blachy), g. zależność siła-poślizg dla łączników. Pozostałe parametry niezbędne w przypadku dalszych analiz zostaną przyjęte zgodnie z zaleceniami literaturowymi z wykorzystaniem właściwości określonych z badań własnych lub deklaracji wystawionych przez producenta wyrobu.

2 2. badania zasadnicze belek zespolonych typu stalowa blacha-beton zostanie wykorzystane do weryfikacji własnych rozwiązań teoretycznych oraz jako baza do wykonania modeli numerycznych belek. od: W związku z tym, że praca belek zespolonych typu stalowa blacha-beton w dużej mierze jest zależna średnicy łączników, rozstawu łączników, wytrzymałości na ściskanie betonu, granicy plastyczności stali stalowej blachy, granicy plastyczności stali łączników, schematu statycznego, wpływ wybranych parametrów na nośność, ugięcie, poślizg oraz odkształcenia od poślizgu zostanie poddany analizie. Program badań własnych opracowany został w taki sposób, aby w możliwie szerokim stopniu przy ograniczonej ilości belek, zbadać wpływ poszczególnych parametrów na globalne zachowanie konstrukcji. Podsumowanie zaproponowanych badań zawiera Tablica BADANIA MATERIAŁÓW Badania materiałów mają na celu określenie kluczowych właściwości badanych elementów. W związku z tym, że belki zespolone typu stalowa blacha-beton składają się z dwóch zasadniczych materiałów, to w każdym przypadku poszczególne elementy składowe zostaną poddane odpowiednim badaniom BETON MIESZANKA BETONU Proporcje poszczególnych składników zostaną tak zaprojektowane, aby otrzymać beton klas: C30/37 (zbliżona do dawnej klasy B35) oraz C50/60 (zbliżona do dawnej klasy B60). WŁAŚCIWOŚCI BETONU Badania betonu stanowić będą weryfikację danych zdeklarowanych przez zakład produkcyjny. Z każdej partii materiału pobranych zostanie: - sześć normowych próbek walcowych o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm do określenia wytrzymałości na ściskanie, - sześć normowych próbek walcowych o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm do określenia wytrzymałości na rozciąganie w próbie rozłupywania (metoda brazylijska), - sześć normowych próbek walcowych o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm do określenia modułu sprężystości podłużnej, - sześć normowych próbek belkowych o wymiarach 150 x 150 x 600 mm do badania wytrzymałości betonu na rozciąganie przy zginaniu, - trzy normowe próbki do badania skurczu betonu o wymiarach 100 x 100 x 500 mm.

3 STAL Badania pozwolą również na określenia zależności σ ε. BADANIA STALI KONSTRUKCYJNEJ I ZBROJENIOWEJ W przypadku stali zbrojeniowej z prętów dostarczonych przez producenta wycięte zostaną cztery próbki dla każdej z zastosowanych średnic. Zostaną one poddane próbie rozciągania, aby porównać wyniki z danymi określonymi w atestach. Określone zostaną główne parametry, takie jak moduł sprężystości podłużnej stali E s, granica plastyczności f y, wytrzymałość na rozciąganie f u oraz zależność σ ε. W przypadku blach, wycięte zostaną próbki o wymiarach: długość 50 cm, szerokość 5 cm i grubość uzależniona od badanej blachy w zakresie 6,0 16,0 mm (wycinanie zostanie wykonane techniką inną niż laserowa). Na bazie tych elementów przygotowane zostaną normowe próbki do badania w statycznej próbie rozciągania o parametrach uzależnionych od pola powierzchni przekroju zastosowanej blachy. Wyznaczone zostaną analogiczne parametry, jak w przypadku stali zbrojeniowej. Dla każdej z grubości zostaną przygotowane cztery próbki. BADANIA ŁĄCZNIKÓW WIOTKICH Zgodnie z zapisami [29] stal zastosowana w przypadku łączników powinna charakteryzować się: stosunkiem maksymalnej charakterystycznej wytrzymałości na rozciąganie do granicy plastyczności w wartości charakterystycznej f u f y 1,2, wydłużeniem względnym przy zerwaniu próbki o długości 5,65 A 0, nie mniejszym niż 12 %. Zgodnie z [17]: łączniki należy wykonać ze stali o gwarantowanej spawalności. Parametry powinny zostać dobrane indywidualnie w zależności od techniki spawania. W związku z tym zastosowane łączniki wiotkie, które będą montowane do stalowej blachy, będą musiały posiadać stosowną deklarację producenta o spełnieniu podanych warunków. Podstawowe parametry takie jak moduł sprężystości podłużnej stali E s, granica plastyczności f y, wytrzymałość na rozciąganie f u oraz zależność σ ε zostaną przyjęte zgodnie z deklaracją producenta. Dodatkowo sporządzone zostaną elementy badawcze pozwalające na określenie zależności wiążącej poślizg i siłę w przypadku stalowej blachy zespolonej z żelbetowymi blokami. Schemat elementów badawczych zaprezentowany jest na rys. 1.1 oraz rys. 1.2.

4 Rys Schemat elementu badawczego z dwoma łącznikami do wyznaczenia zależności siła-poślizg dla łączników wiotkich Rys Schemat elementu badawczego z czterema łącznikami do wyznaczenia zależności siła-poślizg dla łączników wiotkich Wykonanych zostanie szesnaście elementów badawczych dla każdej partii betonu po cztery próbki w dwóch wariantach: z dwoma i czterema łącznikami przypadającymi na blachę o grubości 16,0 mm. Obciążenie będzie przykładane do górnej powierzchni blachy na całej jej powierzchni. W celu ułatwienia przeprowadzenia pomiaru przemieszczenia, w dolnej blasze wykonany zostanie otwór, który umożliwi zamontowanie dwóch symetrycznie rozstawionych czujników przemieszczenia BADANIA BELEK ZESPOLONYCH TYPU STALOWA BLACHA-BETON CHARAKTERYSTYKA ELEMENTÓW BADAWCZYCH Planowane badania zasadnicze mają stanowić kontynuację oraz rozszerzenie badań zaprezentowanych w pracy [2]. Wykonanych zostanie sześć belek różniących się parametrami zgodnie z Tablicą 1.1. Pozostałe parametry będą identyczne dla wszystkich badanych belek. W każdym przypadku część żelbetowa belki będzie miała taki sam prostokątny przekrój poprzeczny o wymiarach 240x490 mm oraz rozpiętość teoretyczną (efektywną) wynoszącą 4960 mm. Belki zostaną podparte i obciążone w taki sposób, aby zrealizować trójpunktowy schemat zginania. Stalowa blacha będzie

5 miała zmienną grubość 6,0 20,0 mm oraz długość 4740 mm (zakończona przed podporą). Na jej powierzchni zamocowane zostaną łączniki wiotkie w rozstawie zapewniającym co najmniej pełne zespolenie (100 lub 150 % wymaganego stopnia zespolenia). Zbrojenie w postaci prętów podłużnych i poprzecznych wykonane jest z zastosowaniem prętów o średnicy 12 mm lub 16 mm. Zbrojenie poprzeczne zostało tak dobrane, aby nośność strzemion była około 1,25 1,5 razy większa od spodziewanej siły poprzecznej, co ma zabezpieczyć belkę przez innym typem zniszczenia niż założono. Zastosowane zostaną dwie klasy betonu C30/37 oraz C50/60, trzy grubości blach oraz trzy przypadki poziomu zespolenia. LP Nazwa belki Tab Zestawienie elementów badawczych Stopień zespolenia [%] Klasa betonu [-] Grubość blachy [mm] Obciążenie niszczące P [kn] / M [knm] 1 SPCB Z150_C37_BL6_REB12 ~150 (φ13 co 160 mm) C30/37 6,0 215,3 / 268,2 2 SPCB Z150_C60_BL6_REB12 ~150 (φ13 co 200 mm) C50/60 6,0 222,2 / 276,7 3 SPCB Z75_C37_BL10_REB16 ~75 (φ13 co 160 mm) C30/37 10,0 339,9 / 423,2 4 SPCB Z150_C60_BL10_REB16 ~150 (φ13 co 120 mm) C50/60 10,0 339,6 / 422,8 5 SPCB Z150_C60_BL16_REB16 ~150 (φ13 co 80 mm) C50/60 16,0 519,1 / 646,3 6 SPCB Z75_C60_BL16_REB16 ~75 (φ13 co 160 mm) C50/60 16,0 519,1 / 646, WYKONANIE ELEMENTÓW BADAWCZYCH Elementy badawcze zostaną wykonane w Wytwórni Prefabrykatów. Części stalowe belki takie jak zbrojenie podłużne, poprzeczne (w postaci strzemion) oraz stalowa blacha, zostaną dostarczone przez zewnętrznych producentów w postaci sprefabrykowanej, gotowej do wbudowania w element. Wykonanie elementu będzie obejmowało przygotowanie szalunków w postaci prostopadłościennych form pokrytych od wewnątrz środkiem antyadhezyjnym, w których zostanie ułożona stalowa blacha z zamontowanymi wcześniej łącznikami wiotkimi typu Nelsona. Następnie ułożone zostaną elementy dystansowe, zbrojenie belek oraz dodatkowe haki transportowe. Ze względu na chęć uniknięcia wystąpienia innego schematu zniszczenia niż zakładany, w strefie podporowej, gdzie kończy się stalowa blacha, zostaną dodane pręty podłużne w ilości zapewniającej zakładaną pracę konstrukcji. Kolejnym krokiem będzie betonowanie wszystkich belek danej partii z wykorzystaniem tej samej mieszanki. W związku z tym betonowanie zostanie wykonane w dwóch turach. Mieszanka betonowa o recepturze zapewniające osiągnięcie żądanych parametrów zostanie dostarczona z wytwórni betonu. Samo betonowanie wykonywane będzie z wysokości nie przekraczającej 50,0 cm, aby nie doprowadzić do segregacji mieszanki, co mogłoby niekorzystnie wpłynąć na wyniki badań doświadczalnych. W celu uzyskania odpowiedniego zagęszczenia wykorzystywanej mieszanki betonowej użyte zostaną wibratory buławowe. Po wykonaniu tego etapu prac, belki zostaną zabezpieczone poprzez okrycie wilgotnymi matami i w tym stanie będą pielęgnowane przez kolejne 14 dni. Po 28 dniach wykonane zostanie rozszalowanie elementów. Na koniec belki zostaną pokryte białą farbą, aby ułatwić śledzenie rozwoju zarysowań i miażdżenia betonu. Po minimum 28 dniach belki zostaną przetransportowane do Laboratorium Badawczego Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Politechniki Krakowskiej STANOWISKO BADAŃ Stanowisko badań zostanie zaprojektowane i wykonane we współpracy z pracownikami Laboratorium Materiałów i Konstrukcji Budowlanych. Schemat podparcia będzie w każdym przypadku taki sam. Będzie obejmował łożysko stałe (przegubowe) oraz łożysko przesuwne (wałkowe, przegubowe).

6 Badanie belek zostanie wykonane z wykorzystaniem prasy wytrzymałościowej. Dodatkowo zostaną wykorzystane elementy zabezpieczające belki przed zmianą położenia względem osi pionowej maszyny wytrzymałościowej. Ponadto zostaną wykonane badania z wykorzystaniem bezkontaktowych metody pomiaru wizyjnego (contactless computer vision based measurement methods) stosowanych w celu rozszerzenia możliwości standardowych systemów pomiarowych opartych na tensometrach oraz pomiarze poślizgu pomiędzy częścią betonową, a stalową badanych belek zespolonych na czole belek zespolonych APARATURA POMIAROWA Rys Schemat stanowiska badawczego belek zespolonych typu stalowa blacha-beton Punkty pomiarowe zostaną rozmieszczone zgodnie z projektem skonsultowanym z pracownikami Laboratorium przedstawionym na rys Aparatura będzie obejmować: czujniki indukcyjne do rejestracji przemieszczeń, tensometry elektrooporowe do pomiaru odkształceń stalowej blachy, tensometry papierowe do pomiaru odkształceń belki żelbetowej, siłomierz do kontroli siły obciążenia prasy hydraulicznej, czujniki indukcyjne do pomiaru poślizgu na czole belki, czujniki zegarowe do rejestracji osiadania podpór, aparaturę do bezdotykowego pomiaru wizyjnego: aparat cyfrowy Nikon D5100 o rozdzielczości matrycy 16 Mpx, szerokokątny obiektyw Tamron SP AF f/ Di II LD o minimalnej długości ogniskowej wynoszącej 10 mm, interwałomierz PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania doświadczalne pozwolą na określenie wpływu podatności łączników wiotkich, a tym samym poślizgu względnego pomiędzy stalową płytą, a częścią żelbetonową belki zespolonej typu stalowa blacha-beton oraz pozostałych parametrów materiałowych na pracę takich elementów w pełnym zakresie obciążenia. Wyniki eksperymentu umożliwią weryfikację zaproponowanych rozwiązań teoretycznych określania wielkości poślizgu oraz pochodnych wartości takich jak odkształcenie od poślizgu oraz całkowite ugięcie konstrukcji zespolonej, które zgodnie z zaproponowanym w kolejnym rozdziale rozwiązaniem, stanowi sumę ugięcia obliczonego jak dla standardowej konstrukcji żelbetowej oraz dodatkowego ugięcia wynikającego z poślizgu. Dodatkowo możliwa będzie odpowiedź na pytania

7 o zasadność postawionych tez oraz przeprowadzenie na podstawie skalibrowanych modeli, dalszych analiz parametrycznych.