Badania fizycznych i wytrzymałościowych właściwości kompozytowych prętów zbrojeniowych w świetle norm

Transkrypt

1 Badania izycznych i wytrzymałościowych właściwości kompozytowych prętów zbrojeniowych w świetle norm Mgr inż. Piotr Szymczak, Politechnika Łódzka 1. Wprowadzenie Pręty kompozytowe FRP (Fiber Reinorced Polymer) są coraz chętniej stosowane jako zbrojenie beton. Jest to wynikiem korzystnych właściwości tych prętów: niemal całkowitą odpornością na korozję, brakiem przewodzenia elektrycznego, niezakłócaniem pól elektromagnetycznych oraz niską masą prętów przy systematycznym obniżaniem się ceny prodkt [10]. Najczęściej stosowane jest zbrojenie z włóknem szklanym GFRP (G Glass) ze względ na dostępność i relatywnie niską cenę. Wadą zbrojenia kompozytowego GFRP jest przede wszystkim niski modł sprężystości, wynoszący od 20 do 30% modł stali, a także brak możliwości zaginania prętów. Badania prętów kompozytowych są trdniejsze niż w przypadk prętów stalowych. Trzeba stosować specjalne sposoby chwycenia pręta przy rozciągani ze względ na małą odporność na siły poprzeczne, nie można bowiem mieszczać prętów wprost w szczękach maszyny wytrzymałościowej, przystosowanej do badania. Określane w badaniach właściwości materiałowe przypisje się nie samem materiałowi, lecz prętowi o mownej średnicy, nazywanej średnicą nominalną. Wynika to z akt, iż wytrzymałość zależy od dział włókien w żywicznej matrycy, a sposób wykończenia powierzchni pręta bywa różny (oplot jednoskrętny, krzyżowy, posypka mineralna). W artykle rozważono zalecenia norm ISO 10406:1 [7], amerykańskiej ACI 440.3R [1], rosyjskiej GOST [6] oraz włoskiej CNR-DT 203 [5], jako powszechnie stosowanych i jmjących wszystkie podstawowe badania doświadczalne. W Polsce nie ma przedmiotowej normy, natomiast można się posłgiwać aprobatami technicznymi wydanymi przez Instytt Techniki Bdowlanej [4] oraz Instytt Badawczy Dróg i Mostów [2, 3]. Na ich podstawie można dopścić pręty kompozytowe do zastosowania na terenie Polski. 2. Charakterystyka geometryczna Nominalną średnicę prętów określa się metodą hydrostatyczną na co najmniej trzech (ISO [7], GOST [6]) lb pięci próbkach (ACI [1], CNR [5]), dla każdej badanej średnicy. Dłgość próbki powinna być nie mniejsza niż: 200 mm (ACI [1], CNR [5]), 200 mm i 100 mm odpowiednio dla średnic mniejszych bądź równych 20 mm i większych (ISO [7]) oraz 10 średnic zgodnie z GOST [6]. Nominalne wartości pola przekroj oraz średnicy wyrażają się odpowiednio wzorami: ΔV A = (1) L A d b = 2 (2) p A nominalne pole przekroj, ΔV objętość określona na podstawie ilości wody wypartej przez badaną próbkę, ± 1 ml, L średnia dłgość próbki określona na podstawie trzech pomiarów, zyskanych w eekcie obracania próbki o 120 stopni, ± 0,1 mm, nominalna średnica pręta. Średnica handlowa jest mowną wartością przypisywaną przez prodcenta określonej partii wyrob. Średnice handlowe nawiązją do stosowanych w przypadk prętów stalowych, np. 10, 12, 14, 16 mm. W obliczeniach elementów zbrojonych prętami kompozytowymi należy oczywiście posłgiwać się średnicami nominalnymi i odpowiadającymi im wartościami geometrycznymi i wytrzymałościowymi. 3. Doraźna wytrzymałość na rozciąganie W wynik badania próbki na rozciąganie określa się: wytrzymałość na rozciąganie, modł sprężystości podłżnej E oraz graniczne odkształcenie pręta w chwili zerwania ε. Parametry te ściśle zależą od rodzaj 51

2 52 Rys. 1. Schemat próbki wraz z wymaganiami geometrycznymi Tabela 1. Zestawienie wymagań dotyczących wymiarów próbek L g L ga L L 1 mm mm mm mm mm ACI 440:3R [1] - (2) CNR-DT 203 [5] - (1) - GOST [6] , ISO 10406:1 [7] - (1) 100, 8 300, 40 - (1) wymaga się zapewnienia odpowiedniej nośności oraz brak poślizg pręta; (2) rekomendowane wymiary rrki: dłgość ( mm), średnica zewnętrzna (38 45 mm), grbość ścianki (4,8 mm) w zależności od średnicy pręta i materiał (GFRP, CFRP); dłgości te można zmniejszyć w przypadk zapewnienia brak poślizg próbki w zakotwieni. włókien i żywicy zastosowanych w procesie prodkcji pręta oraz od proporcji włókien i matrycy żywicznej w stosnk do przekroj pręta. Ze względ na krchość materiał, z jakiego wykonane są pręty, próbki osadza się w stalowych rrkach wypełnionych żywicą, mieszanką żywicy z piaskiem lb zaczynem cementowym. Schemat próbki został przedstawiony na rysnk 1. Wymagane dłgości odcinków: zakotwienia L g, bazy pomiarowej czjnika indkcyjnego L ga, badanego odcinka L, oraz odległość bazy pomiarowej od krawędzi zakotwienia L 1 zostały przedstawione w tabeli 1. Oznaczenia stosowane na rysnk 1 i w tabeli 1 jednolicono, przyjmjąc za podstawę normę ISO [7]. Próbkę wykonaną zgodnie z opisem rozciąga się w maszynie wytrzymałościowej o zakresie dostosowanym do przewidywanej siły zrywającej. Zniszczenie powinno nastąpić w obrębie badanego odcinka patrz rysnek 2. Zniszczenie próbki w zakotwieni może świadczyć o wystąpieni poprzeczej siły obciążającej pręt, Rys. 2. Rozwarstwienie włókien na odcink pomiarowym; widoczny ekstensometr pomiarowy o reglowanej bazie spowodowanej np. nieosiowym łożeniem pręta w zakotwieni. Wytrzymałość pręta określa się jako stosnek siły niszczącej do nominalnego pola przekroj (3). Modł sprężystości E należy określić z przedział 20 50% wytrzymałości pręta na rozciąganie (4). Odkształcenie graniczne ε przy zerwani oblicza się wedłg (5), na podstawie dwóch poprzednich wielkości. F = (3) A E ( F2 F1) = ( e e ) A 2 F 1 e = (5) E A wytrzymałość na rozciąganie, F siła niszcząca próbkę, A nominalne pole przekroj, E modł sprężystości, F 1, ε 1 siła oraz odkształcenie odpowiadające naprężeni równem 20% wytrzymałości przy rozciągani (zerwani próbki), F 2, ε 2 siła oraz odkształcenie odpowiadające naprężeni równem 50% wytrzymałości przy rozciągani (zerwani próbki), ε odkształcenie graniczne. Przykładowe wyniki badań wedłg raport [9] przedstawiono w tabeli 2. Dotyczą one prętów GFRP o czterech wyraźnie zróżnicowanych średnicach, w każdym przypadk z oplotem krzyżowym. (4)

3 Tabela 2. Wyniki badań pręta GFRP wedłg raport [9] E ε mm GPa MPa 5,05 45, ,1 7,63 40, ,2 8,55 46, ,8 10,83 49, ,2 Jak można zaważyć, cechy materiałowe są wyraźnie związane ze średnicą pręta. Zależność wytrzymałości od średnicy nie jest liniowa, ale wykazje tendencję malejącą wraz ze średnicą pręta. Można to przypisać niejednorodności rozłożenia włókien i żywicy w przekroj, narastającej wraz ze wzrostem średnicy pręta. 4. Doraźna wytrzymałość na ściskanie Metodę badania prętów FRP na ściskanie opisje jedynie norma GOST [6]. Sposób badania i wymiary próbki ilstrje rysnek 3. Pręt mieszczony w zakotwieniach msi się przy obciążani swobodnie przemieszczać względem zewnętrznej rrki prowadzącej. Jest to zapewnione przez zachowanie określonego na rysnk lz między rrkami wewnętrznymi i rrką zewnętrzną. Niewzględnienie w pozostałych normach wytrzymałości prętów kompozytowych na ściskanie może wynikać z akt, że w normach projektowych dotyczących zginanych elementów betonowych, zbrojonych prętami kompozytowymi, pomija się zbrojenie mieszczone w streie ściskanej. Rys. 4. Próbka po badani na ściskanie wykonanym zgodnie z normą PN-EN [8] Wartości wytrzymałości na ściskanie podane w aprobacie [4] zyskano w inny sposób, stosjąc metody dotyczące stalowych prętów zbrojeniowych, wedłg PN-EN [8]. Badania wykonano na próbce o dłgości pomiarowej odpowiadającej trzem średnicom. Pręty były osadzane w stalowych talerzykach, aby niemożliwić rozwarstwienie włókien oraz zmiażdżenie pręta w miejsc przekazywania na pręt siły ściskającej (rys. 4). Wytrzymałość na rozciąganie określa się jako: F = (6) A wytrzymałość na ściskanie, F siła niszcząca próbkę na ściskanie, A nominalne pole przekroj. 5. Doraźna wytrzymałość pręta na przecinanie Badanie dotyczy nośności pręta na ścinanie poprzeczne (przecinanie) ang. transverse shear strength. Jest ono jęte w trzech z analizowanych norm, nie ma go natomiast w normie włoskiej CNR [5]. Badanie polega na przyłożeni do pręta siły poprzecznej zyskiwanej dzięki przeswani się noża górnego względem noży dolnych rysnek 5. Sposób badania pozostaje taki sam we wszystkich normach, jednak rekomendowane wymiary są zróżnicowane patrz tabela 3. Deiniowane są: dłgość próbki L, grbość noży t, oraz lz możliwiający przekazanie się na pręt obciążenia poprzecznego. Rys. 3. Schemat badania pręta na ściskanie zgodnie z normą GOST [6] Tabela 3. Zestawienie wymagań dotyczących badania na poprzeczne ścinanie t mm L mm ACI 440:3R [1] 25,4 300 CNR-DT 203 [5] GOST [6] (1) 250 ISO 10406:1 [7] (1) brak inormacji dotyczących wymiarów 53

4 Rys. 5. Schemat badania pręta na poprzeczne ścinanie Rys. 6. Różne metody badania przyczepności wedłg ACI [1] Tabela 4. Wymiary próbki do badania przyczepności metodą pll-ot H l b a mm mm mm mm ACI 440:3R [1] 200 (1) 5 (2) CNR-DT 203 [5] GOST [6] (1) ISO 10406:1 [7] < , 40 (1) w przypadk zarysowania beton należy zwiększyć wymiar do 300 mm (2) określona jest całkowita dłgość próbki wraz z zakotwieniem równa 1200 mm (3) wymaga zastosowania spirali stalowej jako zbrojenie kostki betonowej (pręt o średnicy 6 mm w rozstawie co 40 mm) Rys. 7. Zestawienie wymagań dotyczących badania przyczepności metodą pll-ot 54 Wytrzymałość pręta na ścinanie poprzeczne określa się jako: Fs t s = (7) 2 A τ s wytrzymałość na poprzeczne ścinanie, F s siła niszcząca próbkę, A nominalne pole przekroj pręta. 6. Przyczepność prętów do beton Normy oerją różne sposoby oceny przyczepności beton do prętów kompozytowych. Najszersza jest pod tym względem norma ACI [1] ideę dopszczanych w niej sposobów badania przedstawia rysnek 6. Można wyróżnić dwie podstawowe metody: pll-ot, związaną z wyrywaniem pręta z beton oraz belkową, nawiązjącą do podporowych stre elementów zginanych. W pozostałych normach ISO [7], CNR [5] rekomendowana jest metoda pll-ot, natomiast w normie GOST [6] dopszczone są obydwie metody. Normowe wymagania dotyczące metody pll-ot są przedstawione w tabeli 4 oraz na rysnk 7. Można zaważyć, że wymiary próbek są zbliżone, podobnie jak wymagania sprzętowe. 7. Liczebność prób w badaniach wytrzymałościowych Wymagana liczba próbek zależy od cel badania i jest ostatecznie stalana przez jednostkę akredytjącą w porozmieni z prodcentem patrz aprobata IBDiM [3]. Minimalną liczbę próbek, określoną w omawianych normach, zestawiono w tabeli Podsmowanie Na podstawie przegląd normowych metoadania prętów kompozytowych oraz własnych spostrzeżeń badawczych można sormłować następjące wagi: metody badania prętów FRP są bardziej skomplikowane

5 Tabela 5. Zestawienie wymagań dotyczących badania na ścinanie Rozciąganie Ściskanie Ścinanie poprzeczne Przyczepność ACI 440:3R [1] CNR-DT 203 [5] 5 5 GOST [6] (1) ISO 10406:1 [7] (1) w badaniach okresowych i badaniach typ minimm 6 próbek niż stosowane w odniesieni do prętów stalowych, co wynika z krchości materiałów kompozytowych; metody badań stosowane w różnych rejonach świata są właściwie jednakowe, drobne różnice dotyczą głównie wymiarów próbek; metody badania prętów GFRP nawiązją do dobrze znanych metod odnoszących się do prętów stalowych, co jest oczywiste przy podobnym przeznaczeni konstrkcyjnym ob typów wyrobów; wymagana minimalna liczba próbek jest niewielka, od 3 do 6 sztk; wyniki odnoszą się zawsze tylko do pręta o określonej średnicy, a nie do materiał kompozytowego. Jest to bardzo ważne przy projektowani elementów betonowych zbrojonych prętami kompozytowymi. BIBLIOGRAFIA [1] ACI 440.3R: 2004 Gide Test Methods or Fiber-Reinorced Polymers (FRPs) or Reinorcing or Strengthening Concrete Strctres [2] AT/ Aprobata Techniczna IBDiM Pręty kompozytowe z włókien do zbrojenia beton, lty 2014 [3] AT/ /1 Aprobata Techniczna IBDiM Pręty kompozytowe z włókien do zbrojenia beton, marzec 2016 [4] AT /2015 Aprobata Techniczna ITB Pręty kompozytowe ARMASTEK do zbrojenia beton, czerwiec 2015 [5] CNR-DT 203:2006 Gide or the Design and Constrction o Concrete Reinorced with FRP. Bars [6] GOST 31938:2012 Fiber-Reinorced Polymer Bar or Concrete Reinorcement General Speciications [7] ISO :2015 Fibre-reinorced polimer (FRP) reinorcement o concrete Test methods Part 1: FRP bars and grid [8] PN-EN 10080:2007 Stal do zbrojenia beton Spajalna stal zbrojeniowa Postanowienia ogólne [9] Raport Badania prętów FRP, Katedra Bdownictwa Betonowego Politechniki Łódzkiej. POIG /09 01, marzec 2012 [10] Szmigała M., Pawłowski D., Zastosowanie kompozytowych prętów zbrojeniowych w konstrkcjach bdowlanych, Przegląd Bdowlany nr 3/2014, marzec 2014, str