BADANIA NA ROZCIĄGANIE SPLOTÓW SPRĘŻAJĄCYCH W LABORATORIUM BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ITB

Transkrypt

1 PRACE INSTYTUTU TECHNIKI BUDOWLANEJ - KWARTALNIK nr 4 (132) 2004 BUILDING RESEARCH INSTITUTE - QUARTERLY No 4 (132) 2004 Andrzej Szwaranowicz* BADANIA NA ROZCIĄGANIE SPLOTÓW SPRĘŻAJĄCYCH W LABORATORIUM BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ITB W artykule przedstawiono metodę przeprowadzenia badań wytrzymałościowych na rozciąganie splotów do konstrukcji sprężonych zgodnie z normami europejskimi. Opisano sposób dostosowani a maszyny wytrzymałościowej do przeprowadzenia badań oraz metodę określenia 1. Wstęp Zgodnie z projektem pren10138 Stal sprężająca" konieczne jest określenie parametrów wytrzymałościowych splotów sprężających w próbie rozciągania osiowego jako parametrów podstawowych charakteryzujących splot oraz jako wielkości odniesienia do pozostałych badań splotów, takich jak rozciąganie w złożonym stanie naprężenia przy zagiętych splotach, relaksacja oraz odporność na korozję naprężeniową w roztworze rodanku amonu NH 4 SCN, prowadzonych w ITB. Laboratorium ITB ma wieloletnie doświadczenie w badaniach splotów. Prace prowadzone na początku lat sześćdziesiątych pozwoliły na określenie otwartej struktury polskich splotów, skoku ich oplotu, średnic drutu rdzenia i wprowadzenie do norm, produkcji oraz stosowania we wszystkich polskich wytwórniach wyrobów strunobetonowych. Tym niemniej w celu stałego systematycznego badania należało udoskonalić zarówno sposób uchwytu splotów w maszynach wytrzymałościowych, jak i automatyzację pomiarów oraz zapisu ich wyników. W ITB podjęto więc ponownie zadanie pomyślnego rozwiązania tych problemów z wykorzystaniem dotychczas posiadanych maszyn wytrzymałościowych i przyrządów pomiarowych. Do realizacji tego zadania zostało przewidziane opracowanie: efektywnej metody zakotwień splotów, zautomatyzowanego system pomiaru sił i odkształceń splotów, Wytrzymałościowych ITB * mgr inż. - kierownik Laboratorium Badań Wytrzymałościowych w Zakładzi 45

2 2. Metoda pomiaru Z badaniami na rozciąganie splotów do konstrukcji sprężonych są związane przede wszystkim następujące dokumenty: PN-EN Metale. Próba rozciągania,. pren Prestressing steels- Part 3: Strand (Stal sprężająca. Część 3: Sploty), PN-EN ISO Stal do zbrojenia i sprężania betonu. Metody badań. Część 3: Stale sprężające, Wytyczne do Europejskich Aprobat Technicznych ETAG nr 013 Zestawy zakotwień i cięgien do sprężania konstrukcji. Aneks E.3: Badanie pojedynczego elementu rozciąganego. Za podstawowy dokument należy uznać prenormę EN Stal sprężająca" (która na skutek różnic poglądów producentów do dziś nie została zatwierdzona). Podaje ona właściwości stali sprężających i w ten sposób narzuca konieczność przeprowadzania odpowiednich badań, między innymi badań na rozciąganie stali sprężającej z określeniem (w nawiasach podano wynikające z nich wielkości według PN-B :02): wytrzymałościo granicy plastyczności -» odkształcenia przy maksymalnej sile - modułu sprężystości podłużnej - jako podstawowych parametrów charakteryzujących wyrób. Warunki badania zostały opisane w Aneksie A (Metody badań) do pren W punkcie A.2 podano, że badanie na rozciąganie powinno być przeprowadzone zgodnie z PN-EN Metale. Próba rozciągania", jak również istnieje delegacja do pren ISO Stal dla zbrojenia i sprężania betonu - Metody badań. Część 3: Stal sprężająca", która zawiera następujące dodatkowe wymagania: Próbka powinna być zamocowana w odpowiednich uchwytach maszyny wytrzymałościowej, nie powodujących uszkodzenia powierzchni próbki. Jeśli zerwanie próbki nastąpi w odległości mniejszej niż 3 mm od uchwytu, badanie należy uznać za nieważne, chyba że wynik spełnia wymagania normy. Odkształcenia powinny być mierzone za pomocą odpowiedniego tensometru o bazie pomiarowej większej niż 100 mm. Ponieważ ze względu na trwałość tensometru nie jest możliwe pozostawienie go na próbce do momentu jej zniszczenia, należy obciążać próbkę z założonym tensometrem i rejestrować odkształcenia aż do momentu przekroczenia siły przy umownej granicy plastyczności, po czym trzeba tensometr zdjąć. Jednocześnie należy stale rejestrować wzajemne przemieszczenia uchwytów mocujących próbkę. Obciążenie będzie kontynuowane aż do zniszczenia próbki, z pomiarem wzajemnych przemieszczeń uchwytów. Różnica pomiarów przemieszczeń uchwytów zostanie obliczona jako procentowa wartość rozstawu uchwytów i wartość ta będzie dodana do wyrażonych procentowo odkształceń próbki w momencie zdjęcia tensometru. W zaleceniach ETAG nr 013 Aneks E.3: Badanie pojedynczego elementu rozciąganego, zostały podane kolejne dane: klasa maszyny wytrzymałościowej (kl. 1) i tensometru (kl.2), 46

3 dokładność pomiaru przesunięć uchwytów maszyny (1 mm}, minimalna długość swobodna próbki (1 m), wstępne przeciążenie próbki do po czym rozpoczynanie pomiarów z poziomu 5% szybkość obciążania - do 15 MPa/sek. Badania te wymagają zaprojektowania i budowy odpowiednich urządzeń oraz wprowadzenia do praktyki laboratorium właściwych procedur badawczych. 3. Opracowanie zamocowań splotów w maszynie wytrzymałościowej Badanie splotów na rozciąganie było w Laboratorium Badań Wytrzymałościowych zawsze zagadnieniem, który starano się rozwiązać na różne sposoby, lecz na ogół z nienajlepszym skutkiem. Problem polegał głównie na odpowiednim zamocowaniu próbki w maszynie wytrzymałościowej, tak aby: próbka nie wyślizgiwała się z uchwytów, również środkowego drutu splotu, nie został uszkodzony splot w uchwytach i zerwanie próbki następowało poza uchwytami, a każdy drut zrywał się z tzw. szyjką. Proste zamocowanie splotu w szczękach maszyny wytrzymałościowej powodowało poślizgi i zerwanie próbki w szczękach. Zastosowanie przekładek z różnych materiałów zabezpieczało przed uszkodzeniami powierzchni splotów, lecz nie chroniło przed wyślizgiwaniem się próbki z klinowych uchwytów maszyny wytrzymałościowej. W laboratoriach wytwórni splotów, gdzie badania nad tym problemem są prowadzone na skalę masową, rozwiązaniem stały się specjalistyczne maszyny wytrzymałościowe o bardzo długich uchwytach (około mm}, zaciskanych hydraulicznie lub klinowo, o bardzo małym kącie pochylenia klinów. Dzięki temu przy znacznej sile zaciskającej uzyskano małe naciski powierzchniowe. W pewnych wypadkach jako wykładzinę szczęk stosowano wkładki aluminiowe. Takie rozwiązania nie są możliwe w przypadku maszyn wytrzymałościowych stanowiących wyposażenie Zakładu NW. Konstrukcje uchwytów o długości 80 mm nie pozwalają na ich rozbudowę i uzyskania opisanego efektu. Rozwiązanie znaleziono, stosując nakładki aluminiowe i dodatkowy element mocujący. Elementy te zakładano na końcach próbki, po czym ją obciążano. Na skutek początkowego poślizgu próbki w szczękach następowało dociśnięcie dodatkowego elementu mocującego do powierzchni zewnętrznej szczęk i dzięki temu uzyskiwano współpracę w przeniesieniu siły. Rozwiązanie to sprawdzono, stosując wiele prób z użyciem splotów o średnicach od 9,3 mm do 15,7 mm - z pozytywnym skutkiem (rys. 1). Jeśli zerwanie nie zawsze następowało w połowie długości próbki, to zawsze poza szczękami i z charakterystyczną szyjką, spełniając wymagania norm. 47

4 4. Automatyzacja pomiarów Zgodnie z pren przy badaniu splotów oprócz wytrzymałości należy określić również ich właściwości odkształceniowe, takie jak granica plastyczności moduł sprężystości odkształcenie przy sile maksymalnej Dane te uzyskuje się poprzez jednoczesny pomiar odkształceń i sił, jak również przemieszczeń uchwytów próbki w przypadku, gdy istnieje konieczność zaprzestania pomiaru odkształceń (zdjęcia tensometru), zanim próbka osiągnie siłę maksymalną. Jednoczesny pomiar tych wielkości wymaga automatyzacji pomiarów. Do tego celu posłużono się stanowiącym wyposażenie laboratorium systemem pomiarowym Solartron, umożliwiającym wielopunktowe pomiary za pomocą czujników indukcyjnych. Istniejąca sieć kablowa pozwala na łatwe połączenie elementów pomiarowych z centralą Solartrona. 48

5 4.1. Pomiar sił Do pomiaru sit wykorzystano liniowe przemieszczenia popychacza wskazówki siłomierza maszyny wytrzymałościowej. Pomiar tego przesunięcia za pomocą czujnika indukcyjnego typu CD 4425/1 o zakresie 50 mm i dokładności 0,3% skorelowano z wartością siły. W celu dokonania pomiaru wykonano odpowiednie oprzyrządowanie, umożliwiające zamocowanie czujnika i związanie części ruchomej czujnika z popychaczem bez wprowadzania dodatkowych sił. System pomiarowy został pokazany na rysunku 2. Rys. 2. Zautomatyzowany pomiar sił w maszynie Amsler Fig. 2. Automatic force measurements in the Amsler testing machinę 4.2. Pomiar odkształceń Ze względu na strukturę splotu tensometr do pomiaru odkształceń powinien mie dość dużą bazę pomiarową. Standardową bazą przy tego typu pomiarach jest baza o długości 500 mm. Ponadto pomiar musi być zautomatyzowany i powinien przebiegać w tych samych momentach, co pomiar siły i przemieszczeń uchwytów. Tensometr taki, typu rurkowego, został wykonany we własnym zakresie, przy czym jako element pomiarowy posłużył czujnik indukcyjny typu DCR/25 o zakresie 25 mm i dokładności odczytu 0,3%. Tensometr został zaopatrzony w specjalne uchwyty, umożliwiające jego łatwe zdejmowanie w trakcie obciążania próbki. 49

6 4.3. Pomiar przemieszczeń uchwytów Pomiar przemieszczeń uchwytów maszyny wytrzymałościowej przeprowadzono za pomocą czujnika indukcyjnego typu CD 4521/6 o zakresie 150 mm i dokładności odczytu 0,3%. W celu umożliwienia pomiaru należało wykonać odpowiednie elementy mocujące czujnik do obu trawersów maszyny, w których są konstrukcyjnie usytuowane uchwyty. Sposób pomiaru przemieszczeń przedstawiono na rysunku Oprogramowanie systemu pomiarowego Soiartron Przeprowadzenie pomiarów wymagało opracowania specjalistycznego programu pomiarowego w języku Basac - języku programowym komputera PDP-11 będącego jednostką obliczeniową systemu pomiarowego Solartron. Program zakładał pomiar za 50

7 pomocą trzech czujników indukcyjnych o różnych charakterystykach. W celu zachowania jednoczesności pomiarów założono, że cykle pomiarowe będą inicjowane za pomocą zegara wewnętrznego w ustawianych wstępnie odstępach czasu: od 0,5 sek. do 5 sek. Po komendzie start" zostają wykonywane pomiary, aż do komendy stop". Wyniki pomiarów opracowywano za pomocą komputerów PC i programu Excel. Wiązało się to z koniecznością opracowania metody połączenia obu komputerów elektrycznie i programowo w celu automatycznego transponowania kilkuset danych pomiarowych. 5. Opracowanie wyników badań Do opracowania wyników badań wykorzystano program Excel. Przeniesione wyniki zostały zapisane w postaci trzech kolumn, obejmujących: odkształcenia próbki, wyrażone w promilach. Są to surowe dane, wymagające dalszego opracowania. Należy zwrócić uwagę, że wyniki pomiarów odkształceń nie obejmują całego zakresu obciążeń, co zostało spowodowane koniecznością zdjęcia tensometru przed końcem badań. Na podstawie tych danych obliczono wartości naprężeń (przy uwzględnieniu rzeczywistego przekroju poprzecznego splotu} i wartości odkształceń splotu w zakresie sprężystym, to jest w zakresie od 0,2 do 0,7 wyrażone w promilach, powiększone o 0,1%, które były podstawą uzyskania poszukiwanych wielkości Określenie umownej granicy plastyczności i modułu sprężystości Na podstawie obliczonych wartości naprężeń i odkształceń sporządzono w programie Excel wykres (rys. 4). Dla wartości odkształceń splotu w zakresie sprężystym, to jest w zakresie od 0,2 do 0,7 wyrażonych w promilach, powiększonych o 0,1%, sporządzono tzw. linię trendu w postaci zależności liniowej o równaniu bardzo dobrze skorelowanej z otrzymanymi wynikami. Miejsce przecięcia linii trendu z krzywą zależności naprężenie - odkształcenie wskazuje wartość naprężenia, przy której odkształcenia poza sprężyste próbki osiągają wartość 0,1 %, czyli została osiągnięta umowna granica plastyczności. W naszym przypadku Do określenia modułu sprężystości posłużono się równaniem linii trendu, w którym odwrotność współczynnika przy zmiennej jest wartością modułu sprężystości. W naszym przypadku 51

8 Rys. 4. Zależność naprężenie - odkształcenie splotu w próbie rozciągania Fig. 4. The stress-strain curve obtained during tensile test 5.2. Określenie odkształcenia splotu przy maksymalnej sile Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi odkształceń splotu i wzajemnych przemieszczeń trawersu maszyny wytrzymałościowej i uchwytów próbki. Daje się zauważyć, że w końcowym obszarze mierzonych odkształceń oba mają podobny charakter. W tej sytuacji uznano, że jest uprawnione, aby na podstawie przemieszczeń uchwytów próbki określać wartość tak jak to postuluje PN-EN ISO Końcowe wyniki pomiarów odkształceń i odpowiadających im przemieszczeń uchwytów próbki ujęto w wykresie (rys 6). Korzystając z dostępnych funkcji programu Excel, dobrano najlepiej dopasowaną funkcję, w naszym przypadku jest to wielomian 3 stopnia: o bardzo wysokim współczynniku korelacji = 0,9995 Znając wartość przemieszczenia trawersu przy największej sile uzyskanej w trakcie badania, z wyżej podanej zależności obliczamy - wartość. Przy sile maksymalnej 180 kn przemieszczenie trawersu wynosiło 66,07 mm, z obliczenia odkształcenie przy maksymalnej sile było równe 52

9 Rys. 5. Wykres zależności odkształceń splotu i przemieszczeń uchwytów próbki od przyłożonej siły w próbie rozciągania Fig. 5. The curves of strand strains and grips displacements during tensile test Rys. 6. Korelacja zależności odkształcenia splotu - przemieszczenia uchwytów próbki w próbie rozciągania Fig. 6. Strains of strand and displacements of grips correlation in tensile test 53

10 9. Uwagi końcowe W celu sprawdzenia poprawności przyjętych rozwiązań przeprowadzono badania testujące. Polegały one na wykonaniu szeregu prób na rozciąganie splotów do sprężania konstrukcji w maszynie wytrzymałościowej Amsler 100 t. Badania te potwierdziły, że udało się rozwiązać szereg problemów technicznych pozwalających na prowadzenie badań splotów w przypadku konstrukcji sprężonych w pełnym zakresie: opracowano efektywny sposób mocowania splotów w uchwytach maszyny wytrzymałościowej w sposób nie powodujący uszkodzeń powierzchniowych, opracowano i zrealizowano koncepcję jednoczesnych pomiarów siły, przemieszczeń i odkształceń splotów na potrzeby określenia właściwości mechanicznych splotów, opracowano oprogramowanie systemu pomiarowego Solartron na potrzeby ww. pomiarów, opracowano procedury obliczeniowe Na podstawie pren i PN-EN-ISO , z uwzględnieniem specyfiki pomiarowej Laboratorium Badań Wytrzymałościowych, opracowano procedurę badawczą spełniającą wymagania laboratorium akredytowanego przez Polskie Centrum Akredytacji. EXPERIMENTAL TENSILE TEST OF STRANDS FOR PRESTRESSING OF CONCRETE IN STRENGTH TESTING LABORATORY OF BRI Summary This paper deals with the tensile test methods of strands for prestressing of concrete according to the european standards. Adaptation of testing machine and other equipment is described as well as the method of determination of Praca wpłynęła do Redakcji 22 VI