WYNIKI BADAŃ BELEK ŻELBETOWYCH W ASPEKCIE ZMIENNEJ INTENSYWNOŚCI ZBROJENIA POPRZECZNEGO

Transkrypt

1 WYNIKI BADAŃ BELEK ŻELBETOWYCH W ASPEKCIE ZMIENNEJ INTENSYWNOŚCI ZBROJENIA POPRZECZNEGO Justyna Stępień Opiekun Koła: dr hab. inż. Stefan Goszczyński, prof. PŚk Piotr Ziółkowski KN ŻELBECIK Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechnika Świętokrzyska 1. STRESZCZENIE W chwili obecnej jednym z tematów, którym zajmuje się nasze koło naukowe są badania zginanych belek żelbetowych. Wykonano badania 6 belek. Do badań przyjęto schemat statyczny belki jednoprzęsłowej swobodnie podpartej, o przekroju prostokątnym mm i długości przęsła 3000 mm, obciążonej dwiema siłami skupionymi F o rozstawie równym 1/3 rozpiętości belki. Dzięki takiemu schematowi podparcia uzyskano odcinek belki, na którym występuje czyste zginanie, a moment zginający jest prawie stały. Belki zostały wykonane z betonu B25 na kruszywie bazaltowym zbrojone w strefie rozciąganej 2 prętami 20 mm ze stali 34GS i w strefie ściskanej 2 prętami 10 mm ze stali St3S. Belki podzielono na 3 serie, które różniły się między sobą zbrojeniem poprzecznym w środkowym odcinku belki. Dla serii 1 zastosowano strzemiona - Ø 4,5 co 225 mm ze stali St3S, dla serii 2 co 100 mm. Seria 3 badanych belek nie posiadała zbrojenia w tym obszarze belki. W prezentowanej pracy przedstawiano wpływ intensywności zbrojenia poprzecznego na nośność i zarysowanie elementów. 2. WSTĘP Prawidłowo wykonane konstrukcje żelbetowe charakteryzują się dużą trwałością [1]. Powszechnie przyjmuje się, że podstawowe elementy konstrukcyjne, decydujące o bezpieczeństwie obiektu budowlanego powinny spełniać swoje funkcje w całym wymaganym okresie użytkowania. Trwałość ich powinna odpowiadać trwałości całego budynku. Pod wpływem działania wzrastającego obciążenia

2 dochodzi ostatecznie do przekroczenia wartości granicznych sił wewnętrznych w betonie i stali. Zjawisko to najwyraźniej jest obrazowane poprzez zarysowanie, odkształcenie i ugięcie elementów. Stan zarysowania elementów żelbetowych jest szczególnie ważny, ponieważ głównie od niego zależy trwałość konstrukcji [2]. W prezentowanej pracy podjęto próbę określenia wpływu intensywności zbrojenia poprzecznego na stan zarysowania oraz nośność zginanych belek żelbetowych. Do analizy posłużyły wyniki badań sześciu belek, w których występowały trzy rodzaje zastosowanego zbrojenia poprzecznego na odcinku występowania stałego momentu. 3. SPECYFIKA TWORZENIA SIĘ RYS W KONSTRUKCJACH ŻELBETOWYCH I ICH WPŁYW NA TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI Występowanie rys jest nierozerwalnie związane z pracą konstrukcji żelbetowych gdyż jest naturalną odpowiedzią materiału na wywołany w nim stan odkształcenia [3]. Ogólne hipotezy potwierdzone doświadczalnie odnoszące się do właściwości rys mówią, iż odstępy rys są tym większe, im większa jest średnica wkładek, grubsza otulina, niższy procent zbrojenia i mniejsza przyczepność stali do betonu. Szerokość rys jest tym większa, im większa jest odległość między nimi i większe naprężenia w stali. Strzemiona i wkładki rozdzielcze wprowadzają zaburzenia w prawidłowości rozstawu rys, co spróbujemy udowodnić poprzez analizę wyników naszych badań. Powstanie rysy w danym przekroju zależy od usytuowania rys już istniejących. Jest to związane z faktem, iż w prawo- i lewostronnym otoczeniu rysy następuje spadek naprężeń w betonie, wykluczający powstanie nowej rysy [4]. Wiąże się to z faktem, że różnica odkształceń między betonem i stalą może wystąpić jedynie na tym obszarze. Rysy tworzą się w rozciąganej strefie elementów betonowych z chwilą gdy naprężenia przekraczają stosunkowo małą wytrzymałość tego materiału na rozciąganie. W zginanych elementach żelbetowych pierwsza rysa pojawia się w miejscu największego momentu lub w najsłabszym obszarze, co wynika z niejednorodności materiału. W przekroju zarysowanym, naprężenia w zbrojeniu znacznie wzrastają w porównaniu do stanu poprzedzającego zarysowanie i w najbliższym sąsiedztwie rysy zostaje naruszona przyczepność do betonu [5]. W rzeczywistości odstęp rys jest różny, a ponadto nie wszystkie rysy osiągają pełny rozwój. Niektóre z nich pojawiają się, a następnie znikają lub łączą się z innymi. Z obserwacji zarysowania belek żelbetowych wynika, że rysy od zginania są prostopadłe do podłużnej osi elementu, a przynajmniej przecinają zbrojenie podłużne strefy rozciąganej pod kątem prostym. W momencie załamania najczęściej tylko jedna rysa wydłuża się do krawędzi ściskanej, gdzie się

3 rozwidla wydzielając nieforemną bryłę betonu, która ulega zmiażdżeniu. Rysy mogą mieć bardzo różny kształt. Występowanie rys jest bardzo niekorzystne, ponieważ stwarzają one sprzyjające warunki do przenikania czynników wywołujących korozję zbrojenia, wpływają na szybkość korozji i głębokość karbonizacji oraz przyczyniają się do powstania mikroogniw na powierzchni zbrojenia. Najbardziej niekorzystne są rysy czynne, czyli takie, których rozwarcie zmienia się na skutek obciążenia konstrukcji. Rysy te są szczególnie charakterystyczne dla rozciąganych stref elementów żelbetowych. Rozwój rys w elementach rozciąganych przebiega w trzech fazach. W pierwszym etapie rysy mogą mieć kształt klinowy, a następnie po dekompresacji betonu, przyjmują kształt równoległy. Dochodzi wówczas do powstawania mikroszczelin między stalą a betonem, których rozwój związany jest ze wzrostem naprężeń w zbrojeniu. W przypadku prętów żebrowanych jest on ograniczony ze względu na lepszą przyczepność pomiędzy stalą a betonem. Naruszenie przyczepności przyczynia się do rozwoju korozji nie tylko bezpośrednio w rysie, ale również na pewnym odcinku wzdłuż prętów. Długość korodujących odcinków zależy przede wszystkim od grubości otuliny i szerokości rysy. Przy rysach o szerokości powyżej 0,3 mm długości odcinków zaatakowanych przez korozje rosną. Natomiast przy rysach do 0,1 mm nie obserwuje się rdzy na powierzchni zbrojenia. Rysy powstające w elementach zginanych można podzielić na trzy rodzaje: rysy otwarte na powierzchni elementu i sięgające powierzchni zbrojenia, rysy o szerokości przy powierzchni zbrojenia równej lub nieco większej niż na powierzchni elementu, rysy poprzeczne z rysami podłużnymi powstające wskutek utraty przyczepności zbrojenia do betonu o szerokości przy powierzchni zbrojenia większej niż na powierzchni elementu. W pierwszym przypadku korozja zbrojenia nie występuje, a możliwe zawilgocenie rysy nie wpływa na naruszenie tego stanu, ponieważ dyfundujący wodorotlenek wapnia (Ca(OH) 2 ) utrzymuje wysokie ph. W drugim i trzecim przypadku zbrojenie może korodować zaraz po zarysowaniu, gdyż niekorzystne czynniki maja łatwiejszy dostęp do powierzchni zbrojenia. W rysach o większej szerokości tempo korozji jest tak samo duże jak w stali nieobetonowanej, a nawet większe ze względu na stałe zawilgocenie. Czynnikiem wpływającym na wzrost korozji w rysach jest także zmienność obciążenia, ponieważ naturalne zasklepianie się drobnych rys nie występuje. 4. OPIS PRZEPROWADZONYCH BADAŃ Wykonano badania sześciu belek żelbetowych o przekroju prostokątnym mm i długości 3300 mm. Do badań przyjęto schemat statyczny belki jednoprzęsłowej swobodnie podpartej,

4 obciążonej dwiema siłami skupionymi F o rozstawie równym 1/3 rozpiętości belki. Dzięki takiemu schematowi podparcia uzyskano odcinek belki, na którym występuje czyste zginanie, a moment zginający jest prawie stały. Belki wykonano z betonu B25 na kruszywie bazaltowym zbrojone w strefie rozciąganej dwoma prętami ø 20 mm ze stali 34GS i w strefie ściskanej dwoma prętami ø 10 mm ze stali St3S. Belki podzielono na 3 serie, które różniły się miedzy sobą zbrojeniem poprzecznym na odcinku stałego momentu. Dla serii 1 zastosowano strzemiona ø 4,5 co 225 mm ze stali St3S, dla serii 2 rozstaw strzemion wynosił 100 mm. Seria 3 badanych belek nie posiadała zbrojenia poprzecznego w tym obszarze. Na odcinkach między siłą skupioną a podporą strzemiona były rozstawione co 100 mm. Dla wszystkich badanych belek wykonywano pomiary: odkształceń, ugięć, szerokości rys i zinwentaryzowano je na odcinku pomiędzy siłami skupionymi. Odkształcenia pomierzono na poziomie środka ciężkości zbrojenia rozciąganego i ściskanego za pomocą ekstensometru nasadowego o bazie pomiarowej 200 mm. Pomiaru szerokości rozwarcia rys dokonano na powierzchni betonu w miejscu występowania zbrojenia rozciąganego przy użyciu mikroskopu Brinell a o dokładności 0,01 mm. Ugięcie mierzono za pomocą elektronicznych czujników ugięć umieszczonych pod belką podłączonych do komputera. Obciążenie realizowano skokowo według następującego programu: 0 2,5 5,0 7, , kn i dalej do zniszczenia. Uzyskane rezultaty zostały zapisane w bazach danych i stanowiły podstawę dalszej analizy. 5. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH Warte zaprezentowania są jedynie wyniki dotyczące rys, które zaprezentowano poniżej w tabeli: Średnia szerokość rozwarcia rys Liczba rys Seria 1 Seria 2 Seria 3 Seria 1 Seria 2 Seria 3 Obciążenie S1B1 S1B2 S2B1 S2B2 S3B1 S3B2 S1B1 S1B2 S2B1 S2B2 S3B1 S3B , , ,020 0, ,022 0,022-0, , ,024 0,034 0,025 0, ,032 0,038 0,025 0, ,035 0,041 0,045 0,043 0,026 0,

5 25 0,042 0,062 0,052 0,052 0,026 0, ,049 0,072 0,056 0,062 0,028 0, ,063 0,080 0,052 0,068 0,032 0, ,066 0,086 0,048 0,083 0,041 0, ,070 0,099 0,054 0,100 0,050 0, ,075 0,104 0,062 0,101 0,064 0, ,083 0,119 0,073 0,102 0,077 0, Na rysunkach 1,2,3 przedstawiono inwentaryzację rys dla zbadanych belek. Przykładowo pokazano inwentaryzację rys dla jednaj strony belki. Rys. 1. Proces tworzenia się rys dla belki S1B2 Rys. 2. Proces tworzenia się rys dla belki S2B2

6 Rys. 3. Proces tworzenia się rys dla belki S3B1 6. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na podstawie wykonanej inwentaryzacji rys i porównaniu ich występowania z położeniem strzemion stwierdzono, iż większość rys na powierzchni zginanej belki żelbetowej pojawia się w pobliżu zbrojenia poprzecznego. Dla serii 1 belek w kilku przypadkach rysy powstały wręcz w miejscu jego występowania. Wyraźna jest również zależność wcześniejszego pojawiania się rys w przypadku, gdy w belce występuje zbrojenie poprzeczne. Mimo że ostatecznie ilość rys jest w miarę porównywalna to w belkach, w których nie ma strzemion większość z nich powstała dużo później. Pierwszą rysę wśród elementów nie zbrojonych poprzecznie na odcinku stałego momentu zaobserwowano na poziomie obciążenia 10 kn, zaś kolejne kilka dopiero przy 15 kn w przypadku jednej belki oraz przy 12,5 kn dla drugiej belki. Jeżeli zaś chodzi o serię 2 belek żelbetowych, pierwsze zarysowania stwierdzono przy obciążeniu 7,5 kn, większość pozostałych rys pojawiała się również w pierwszym etapie obciążania. Dla belki S2B2, 83% wszystkich powstałych rys pojawiło się do momentu wystąpienia obciążenia 20 kn, podczas gdy w elementach, gdzie nie zastosowano w środkowej części strzemion najwyżej 47 %. Dodatkowo w pierwszej kolejności rysy pojawiały się przy lub na zbrojeniu poprzecznym, a dopiero potem między strzemionami. Wszystkie wyniki są zbyt zbliżone do siebie (36 rys pojawiło się na belce bez strzemion a 37 rys na belce ze strzemionami o rozstawie 22,5 cm), aby można było mówić o wpływie strzemion na ilość rys. Średni rozstaw rys jest ściśle związany z ich ilością przypadającą na metr długości belki, wnioski są identyczne jak w przypadku ilości rys.

7 7. WNIOSKI Badania wykonano z myślą sprawdzenia wpływu rozstawu strzemion na nośność zginanej belki na odcinku czystego zginania. Pomiary, które towarzyszyły badaniom belek pozwoliły na porównanie nie tylko nośności elementów, lecz też ich ugięć, odkształceń oraz rys, które powstawały na belkach podczas procesu ich niszczenia. Nośność wszystkich belek jest do siebie zbliżona kn, różnica jest bardzo mała, nie można więc mówić o wpływie strzemion na nośność. Wartość obciążenia rysującego różni się w przypadku różnych wariantów zazbrojenia, ale nie zaobserwowano żadnych tendencji belki bez zbrojenia rysowały się przy obciążeniu równym 10 kn, gdy zbrojenie rozstawione było w odległości 10 cm, rysy pojawiały się przy 7,5 kn, rozstaw 22,5 cm powinien być związany z obciążeniem rysującym z przedziału 7,5 10 kn, lecz dla takiej wersji zbrojenia rysy pojawiają się przy 15 kn ( teoretyczne obciążenie rysujące wynosi 7,6 kn ). Wyniki, raczej tendencje które udało się zaobserwować na przykładzie tak niewielkiej grupy badanych belek wydają się być zgodne z logiką : rozstaw strzemion w miejscu gdzie strzemiona nie pracują nie ma wpływu na nośność na zginanie elementu żelbetowego, ich wpływ na zarysowanie belki jest tak minimalny, że wręcz nie istotny dla inżyniera. LITERATURA [1] Ściślewski Zbigniew: Ochrona konstrukcji żelbetowych. [2] Włodarczyk Maria: Zarysowanie zginanych belek żelbetowych jako proces stochastyczny., Praca doktorska, Kielce 2002 [3] Goszczyński Stefan: Zarysowanie belek żelbetowych. ZN Politechniki Śląskiej, Gliwice [4} Goszczyńska Barbara, Goszczyński Stefan: Rozwarcie rys w zginanych belkach żelbetowych. XXVII konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 1981 [5] Godycki-Ćwirko Tadeusz: Morfologia rys elementów żelbetowych w świetle badań eksperymentalnych. AIL, tom XXIII, z.1. Warszawa 1977.