Wpływ granicy plastyczno ci zbrojenia głównego na no no elementów wzmocnionych kompozytami CFRP

Transkrypt

1 Budownictwo i Architektura 12(1) (2013) Wpływ granicy plastyczno ci zbrojenia głównego na no no elementów wzmocnionych kompozytami CFRP Przemysław Bodzak 1 1 Katedra Budownictwa Betonowego, Wydział Budownictwa, Architektury i In ynierii rodowiska, Politechnika Łódzka, e mail: przemysław.bodzak@p.lodz.pl Streszczenie: W artykule opisano badania elementów wzmocnionych ta mami CFRP, w których zastosowano ró ne gatunki stali do wykonania zbrojenia podstawowego. Stwierdzono, i zasadniczy wpływ na poziom siły niszcz cej powoduj cej delaminacj ta my ma granica plastyczno ci zastosowanego zbrojenia. Słowa kluczowe: bela elbetowa, wzmocnienie, ta my CFRP, granica plastyczno ci zbrojenia. 1. Wprowadzenie Badania dotycz ce elementów wzmocnionych ta mami CFRP prowadzone s od wielu lat. Na podstawie dotychczasowych do wiadcze ustalono ró ne typy zniszczenia, m.in. przez odspojenie ko ca ta my, odspojenie przy rysie uko nej, odspojenie przy rysie od zginania, zerwanie ta my [1]. Analiza obliczeniowa elementów wzmocnionych na zginanie [2, 3, 4] uwzgl dnia parametry zwi zane z geometri elementu, typem wzmocnienia, sztywno ci materiały przyklejonego, wytrzymało ci betonu, stopniem zbrojenia zwykłego. Te propozycje obliczeniowe pomijaj parametry wytrzymało ciowe zastosowanej stali. Aby sprawdzi, czy zało enie takie jest słuszne przygotowano program bada uwzgl dniaj cych wpływ zastosowania ró nych gatunków stali na no no elementu po wzmocnieniu. 2. Program bada 2.1. Ukształtowanie elementów Projektuj c element badawczy zało ono, e powinien si on zniszczy na zginanie poprzez zmia d enie betonu w strefie ciskanej lub odspojenie ta my przy jednoczesnym znacznym wyt eniu strefy przypodporowej. Jako element badawczy wybrano jednoprz słow swobodnie podpart belk o rozpi to ci 3,0m obci on par sił skupionych ustawionych w odległo ci 1,0m od podpór i tworz cych stref czystego zginania o długo ci 1,0m rys. 1. Belki miały prostok tny przekrój poprzeczny o wymiarach 0,15 0,30m i wysoko u yteczn d = 0,27m. Takie dobranie wymiarów elementu powodowało, i smukło cinania mie ciła si w przedziale a/d = 3 4, co umo liwiało obserwacj wpływu cinania na zachowanie si elementu jednocze nie bez dominacji tego parametru na no no elementu. Przyj to, i elementy badawcze zostan wykonane z betonu o wytrzymało ci kostkowej f ck = 20MPa, tak aby rysy uko ne mogły powsta ju we wczesnej fazie obci enia.

2 86 Przemysław Bodzak Rys. 1. Element badawczy geometria, zbrojenie podstawowe i wzmacniaj ce Zbrojenie główne zostało tak dobrane, aby zachowa stały stopie zbrojenia równy teoretycznie 0,75%. Jako parametr zmienny przyj to granic plastyczno ci stali, z której wykonano zbrojenie główne. W badaniu zastosowano cztery gatunki stali A-II, A-III, A-III N oraz stal spr aj c o teoretycznych granicach plastyczno ci f yk = 350, 410, 500 oraz 1360MPa. Zbrojenie główne stanowiły odpowiednio dwa pr ty #14 (A s = 3,08cm 2 ) lub trzy ci gna 12,5mm (A s = 2,79cm 2 ). Wzmocnienie belek wykonano w postaci jednej ta my CFRP S512 o A f = 0,60cm 2, b t = 5cm, t f = 1,2mm, E f = 165GPa [5] przyklejonej w osi elementu Pomiary Pomiary odkształce prowadzono przy u yciu tensometrów elektrooporowych naklejonych na ta mie CFRP rys. 2. Dodatkowo mierzono odkształcenia na powierzchni betonu przy u yciu czujników indukcyjnych mocowanych wzdłu dolnej i górnej kraw dzi belki rys. 3. Rys. 2. Układ tensometrów pomiarowych w ta mie CFRP Rys. 3. Układ baz pomiarowych na powierzchni betonu

3 Konstrukcje Betonowe Wpływ granicy plastyczności zbrojenia Analiza wyników bada Wszystkie elementy wykonano niezale nie w ró nych okresach oraz poddano badaniom po innym czasie od chwili wykonania. Podstawowe parametry wytrzymało ciowe zastosowanych materiałów oraz siły niszcz ce przedstawiono w tabeli 1. Elementy BW1, BW2 oraz BW3 obci ano a do zniszczenia stosuj c kilka cykli obci ania odci ania w zakresie 0,2 0,8 teoretycznego obci enia powoduj cego uplastycznienie zbrojenia głównego. W przypadku elementu BW4 był to przedział 0,05 0,2 teoretycznego obci enia powoduj cego uplastycznienie zbrojenia. Tabela 1. Element Wiek Stal f sy A s f c,cube F u ε fu ε cu Sposób dni MPa cm 2 MPa kn zniszczenia BW1 607 A-II 360 1,57 23,0 48 4,8 1,23 O BW2 590 A-III 430 1,59 24,0 54 5,2 1,53 O BW3 720 A-III N 520 1,54 20,0 63 5,7 2,33 O BW Y , ,6 75 6,5 3,77 O/Z 1) przyj to na podstawie danych producenta O odspojenie ta my, Z zmia d enie betonu w strefie ciskanej We wszystkich elementach przy obci eniu od 20 30KN pojawiły si rysy uko ne w strefie przypodporowej. Przy wzro cie obci enia nast powało zarysowanie równie w miejscu zako czenia ta my CFRP rys. 4. Te rysy nie prowadziły jednak do wyczerpania no no ci wskutek odspojenia ko ców kompozytu w zwi zku z rys uko n. Rys. 4. Układ rys na odcinku działania M i V Elementy zniszczyły si przy ró nym poziomie obci enia w wyniku odspojenia ta my CFRP w rejonie przyło enia obci enia skupionego. W chwili zniszczenia w strefie ciskanej najmniejsze odkształcenia betonu zaobserwowano w elemencie BW1 (ε cu = 1,23 ), natomiast najwi ksze w elemencie BW4 (ε cu = 3,77 ). W tym ostatnim przypadku beton zacz ł si kruszy i odspaja w strefie ciskanej ju przy obci eniu około 67,5kN, a zniszczenie nast piło zarówno w wyniku wyczerpania no no ci strefy ciskanej, jak i odspojenia ta my. Rozkład odkształce wzdłu ta my przy wybranych obci eniach pokazano na rys. 5. Odkształcenie ta my w chwili zniszczenia było ró ne i wynosiło minimalnie 4,8 w przypadku belki BW1 i 6,5 w przypadku belki BW4.

4 88 Przemysław Bodzak 11kN 21kN 26kN 36kN 37kN BW1 11kN 21kN 40kN 45kN 47kN 47kN BW2 12kN 40kN 51kN 55kN 60kN 61kN BW3 20kN 40kN 50kN 60kN 70kN 75kN BW4 Rys. 5.Odkształcenia ta my CFRP na długo ci elementu przy ró nych poziomach obci enia

5 Konstrukcje Betonowe Wpływ granicy plastyczności zbrojenia Na graniczne odkształcenie ta my przy zniszczeniu nie miała istotnego wpływu wytrzymało betonu, gdy w elemencie BW4 z najwi kszymi odkształceniami zastosowano beton o najni szych parametrach wytrzymało ciowych, tj. f c,cube = 17MPa. Nale y przypuszcza, i w przypadku wykonania elementu z betonu o wy szej wytrzymało ci odkształcenia ta my w chwili odspojenia byłyby jeszcze wi ksze. Porównanie rednich odkształce w strefie czystego zginania w zale no ci od poziomu obci enia dla wszystkich elementów pokazano na rys F, kn BW1 BW2 BW3 BW4 Rys. 6. rednie odkształcenia ta my CFRP na odcinku czystego zginania W pocz tkowej fazie obci enia zale no obci enie odkształcenie ta my jest zbli ona dla wszystkich elementów jest to zale no liniowa. Zró nicowanie zaczyna si w chwili osi gni cia przez zbrojenie granicy plastyczno ci. Od tego poziomu obci enia obserwujemy zdecydowanie wi kszy przyrost odkształce w ta mie. Jedynie w przypadku elementu BW4 nieliniowy charakter przyrostu odkształce w ta mie zwi zany jest z wyt eniem strefy ciskanej i odkształceniami betonu. W tym przypadku bezpo redni przyczyn zniszczenia elementu było zmia d enie betonu w strefie ciskanej. Nie mo na jednoznacznie okre li odkształce ta my, przy których nast pi jej delaminacja. Zale e one b d od parametrów zastosowanej stali zbrojeniowej. Nale y jednak oczekiwa, i wraz ze wzrostem wytrzymało ci betonu przekroczone zostan graniczne napr enia przyczepno ci ta ma klej beton i nast pi odspojenie ta my w belkach zbrojonych stal spr aj c przed uplastycznieniem zbrojenia i ewentualnym zmia d eniem strefy ciskanej. Ze wzgl du na zastosowanie w badaniach stali o wyra nej, jak i umownej granicy plastyczno ci niemo liwe jest jednak jednoznaczne podanie zale no ci mi dzy poziomem odkształce zbrojenia a sił niszcz c, powoduj c odspojenie ta my od belki elbetowej. 4. Wnioski Przeprowadzone badania pokazały, i bezpo rednia przyczyna odspojenia ta my mo e by powi zana z parametrami wytrzymało ciowymi zbrojenia podstawowego belki. Uplastycznienie zbrojenia głównego inicjuje proces odspojenia. Odkształcenia ta my przy zniszczeniu elementu s ró ne, zale od granicy plastyczno ci zastosowanej stali zbrojeniowej i wahaj si w przedziale 4,8 5,7 dla stali o f y = MPa i rosn do 6,5 dla stali o f yk = 1860MPa.

6 90 Przemysław Bodzak Na graniczne odkształcenia ta my mniejszy wpływ ma wytrzymało betonu w przypadku niskiej jego wytrzymało ci f c,cube 20MPa ni parametry wytrzymało ciowe stali. Literatura 1 Hashemi S.H., Rahgozar R., Maghsoudi A.A. Flexural testing of high strength reinforced concrete beams strengthened with CFRP sheets. IJE Transactions B: Applications, Vol. 22, No. 2, August Sayed-Ahmed E.Y., Bakay R., Shrive N.G. Bond strength of FRP laminates to Concrete: State of the art review. Electronic Journal of Structural Engineering, 9 (2009). 3 Wu Z., Niu H. Prediction of crack-induced debonding failure in R/C structures flexurally strengthened with externally bonded FRP composites. Doboku Gakkai Ronbunshuu E, Vol. 63, No.4, , p Foster S.J., Khomwan N. Determination of bond stress versus slip for externally bonded FRP from standardized bond strength tests. Proceedings of the International Symposium on Bond Behaviour of FRP in Structures (BBFS 2005) 5 Karta techniczna Ta my Sika CarboDur. Ta my z włókien w glowych do wzmocnie konstrukcji The influence of steel yielding of main reinforcement on bending capacity of beams strengthened with CFRP strips Przemysław Bodzak 1 1 Department of Concrete Structures, Faculty Civil Engineering, Architecture and Environmental Engineering, Lodz University of Technology, e mail: przemyslaw.bodzak@p.lodz.pl Abstract: This paper describe tests on RC beams strengthened with externally bounded CFRP plates. A total of four PCC beams with rectangular 15 30cm cross section and 300cm clear span were manufactured and tested in four-point flexure with 100cm constant moment region. Low compressive strength of concrete f ck about 20MPa and middle reinforcement ratio 75 were used. Different yield strengths of steel, from 360MPa to 1860MPa, were chosen as experimental variables. All the beams were strengthened with one CFRP strip measuring 5 1,2cm. The specimen failed at various load and at various ultimate strains of CFRP strips. It was generally observed that both the moment capacity and the ultimate strains grew with the increase of steel yielding strength. It could be deducted that in many cases reaching the yielding steel strength activates the deboning of FRP strips. Keywords: RC beam, strengthening, CFRP strips, steel yielding.