BETON SKRĘPOWANY W UJĘCIU POLSKICH NORM. 1. Wstęp. Piotr SOKAL * Politechnika Krakowska

Transkrypt

1 Piotr SOKL * Politehnika Krakowska BETON SKRĘPOWNY W UJĘCIU POLSKICH NORM 1. Wstęp Jedną z podstawowyh właśiwośi mehaniznyh beton jest jego wytrzymałość na śiskanie. Badania wytrzymałośiowe beton obenie przeprowadza się na próbkah walowyh o średniy 0,15 m i wysokośi 0,30 m. Jak wynika z testów przyzyną zniszzenia próbki są powstałe naprężenia roziągająe, które przekrazają wytrzymałość beton na roziąganie. Po zniszzeni pozostają zazwyzaj dwa stożki połązone w połowie wysokośi wierzhołkami oraz odłamy na powierzhni zewnętrznej w środkowej zęśi wala. Ozywistym w tym przypadk jest wniosek, że ogranizenie możliwośi deormaji w kiernk promieniowym mogłoby powodować zwiększenie nośnośi na śiskanie. Beton, w którym ogranizone są deormaje promieniowe praje w trójosiowym stanie naprężeń i nazywany jest betonem skrępowanym lb też zamkniętym. Zjawisko skrępowania występje w takih elementah jak słpy zwojone oraz w streah zakotwień elementów kablobetonowyh, w któryh zastosowano zbrojenie w postai spirali, siatek lb strzemion. Zdarzają się również przypadki stosowania zbrojenia zwojonego w streie śiskanej elementów zginanyh. Praa jest próbą opisania niektóryh aspektów dwóh polskih norm (PN-EN :008 [1], a także PN-B 0364:00 [], odnosząyh się do skrępowania beton w oblizeniah konstrkji. Podejśia te zdeydowanie się różnią. Pierwsza norma jest obowiązjąą, natomiast z drgiej w dżej mierzę korzystają jeszze projektani konstrkji. W pray zastosowano następjąe oznazenia: d ore średnia zwojonego rdzenia betonowego, s n skok zwojenia, st pole przekroj pręta zwojenia, * Opiekn nakowy: dr hab. inż. ndrzej Serga, Pro. PK

2 98 P. Sokal harakterystyzna wytrzymałość beton na śiskanie, d oblizeniowa wytrzymałość beton na śiskanie,. harakterystyzna wytrzymałość beton skrępowanego na śiskanie, d. oblizeniowa wytrzymałość beton skrępowanego na śiskanie.. Polskie badania beton skrępowanego W Polse badania beton prająego w trójosiowym stanie naprężeń prowadzone były głównie w ramah badań wykonywanyh na słpah zwojonyh. Obszerne opraowanie dotyząe ww. słpów przedstawił Olszak [3]. Stworzył on pewne teorie dotyząe pray tyh słpów, również z względnieniem wpływów reologiznyh. Badania dotyząe tyh słpów przeprowadzali także: Godyi-Ćwirko, Korzeniowski i Nagrodzka-Godya oraz Nowakowski. Wyniki ih pra można znaleźć w pozyjah [4], [5], [6] i [7]. Znaząe opraowanie na temat obiążeń miejsowyh wykonali Pająk i Starosolski [8]. 3. Norma PN-B 0364:00 (PN0) Polska norma PN-B 0364:00 [] nie deinije wprost model pray beton skrępowanego. W normie tej jednak znajdją się zaleenia dotyząe sprawdzenia nośnośi i projektowania słpów zwojonyh, a także stre doisk. W tym pnkie przedstawione zostaną inormaje na temat projektowania stre doisk, które są równomiernie obiążone i zazbrojone spiralami. Pozwoli to przeprowadzić porównanie z normą EC. Nośność przekroj ze zbrojeniem w postai spirali, miejsowo osiowo obiążonego, można wyznazyć wg wzor (1): N k (1) Rd d 0 gdzie: α współzynnik wpływ rozłożenia naprężeń na powierzhni doisk dla rozkład równomiernego α = 1, d wytrzymałość beton w streie doisk zależna od rozkład naprężeń i powierzhni rozdział dla rozkład równomiernego i dla równyh powierzhni doisk 0 i rozdział 1 ( 0 = 1 ) równe 1, k =,0 dla zbrojenia spiralą, yd

3 Beton skrępowany w jęi polskih norm 99 d ore st () sn Norma PN-B traktje zwojenie jako element ogranizająy deormaje poprzezne. Na sktek wywołania odkształeń podłżnyh w betonie, powstają również odkształenia poprzezne promieniste. W wynik występowania tyh odkształeń zazynają pojawiać się w spirali odkształenia roziągająe. Norma przyjmje, że w hwili zniszzenia beton odkształenia w stali osiągają wartośi odkształeń odpowiadająe graniy plastyznośi. Zbrojenie, zatem oddziałje na rdzeń betonowy z siłą równomiernie rozłożoną po obwodzie: F yd st st (3) d ore o daje równomierne naprężenie między kolejnymi zwojami wynosząe: yd st (4) d ore sn Norma jednoześnie ograniza wpływ zbrojenia strey doisk warnkiem: k yd 0, 1, 75 d 0 Przyjmją, że powierzhnia zwojenia zwiększa wytrzymałość beton (przy założeni, że obszar obiążony równomiernym doiskiem równy jest powierzhni rozdział o średniy d ore, a zatem d = d ), otrzymje się wzór (6) zwiększająy oblizeniową granię wytrzymałośi beton na śiskanie: k k d 0 yd yd d. d (6) 0 0 Ze wzor (5) należy wnioskować, że na sktek skrępowania wytrzymałość beton nie może wzrosnąć o więej niż 75%. W przypadk słabego skrępowania spiralą wzrost nośnośi może być względniony, jeśli jego wartość wynosi o najmniej 0%. (5) 4. Norma PN-EN :008 (EC) Norma PN-EN :008 [1] (EC) do zagadnienia skrępowania beton podhodzi zpełnie inazej. W swoih postanowienia nie preyzje dokładnie wpływ skrępowania zy to w streie doisk zy dla słpów zwojonyh. Przyjmje ona jednak ogólne założenie dotyząe betonów prająyh w trójosiowym stanie naprężeń. Przedstawia ona konkretny model oblizeniowy parametrów beton skrępowanego. Określa wytrzymałość na śiskanie beton. (wzór 7a i 7b),

4 300 P. Sokal najmniejsze odkształenia przy któryh osiąga się wytrzymałość beton ε (wzór 8) i odkształenia granizne ε (wzór 9), w zależnośi od parametrów wytrzymałośiowyh beton nieskrępowanego i naprężenia krępjąego. Model zakłada również, że pozostałe harakterystyki materiałowe nie legają zmianie... ( 1,0 5,0 ) dla 0,05 (7a) ( 1,15,5 ) dla 0,05 (7b) (8).. ( )., 0 (9) W normie stwierdzono, że krzyżowe powiązanie zbrojeniem lb odpowiednio zamknięte strzemiona mogą powodować skrępowanie beton. W zbrojeni na sktek poprzeznyh odkształeń beton następje plastyznienie. Norma nie podaje sposob oblizenia naprężeń krępjąyh. W przypadk spirali sensowne wydaje się żyie wzor 10 (nie jest spreyzowane, którą granię plastyznośi harakterystyzną zy oblizeniową należy względnić w oblizeniah): yk st (10) d ore sn 5. Przykład oblizeniowy W el porównania postępowania opisanego wg ob norm, wykonano przykład oblizeniowy przyjmją następjąe dane pohodząe z badań [9]: średnia skrępowanego rdzenia (element) d ore = 0,16 m (pole ore = 0 = 0,001 m ), grbość maty z włókna węglowego krępjąej próbkę t = 0, mm, wytrzymałość maty na roziąganie R = 300 MPa, naprężenia w maie w hwili zniszzenia σ = 196,4 MPa, wytrzymałość próbki betonowej z tego samego beton nie wzmonionej m = 40,1 MPa, _exp = 3,1 MPa. Osiągnięta w badaniah wytrzymałość tak skrępowanego beton wynosiła m._exp = 60, MPa.

5 Beton skrępowany w jęi polskih norm 301 Oblizenia wg PN0 W oblizeniah spiralę zastąpiono matą o grbośi t z włókna węglowego. Wykonano przekształenia możliwiająe zastosowanie wzorów z pnkt 3 do określenia wytrzymałośi beton przy zastosowani mat krępjąyh. Zamiast graniy plastyznośi stali, przyjęto naprężenia zarejestrowane w maie w hwili zniszzenia próbki. d ore t 1,106m d / 1,5 1, 4MPa k d. d 4, 59MPa 0 / 1,99 1,75 zatem ostateznie 1,75 1,75 1,4 37, MPa d. d k. 53, 9MPa 0 / 1,66 1,75zatem ostateznie 53, MPa. m.. 8MPa 61, 9MPa d. d Oblizenia wg EC Naprężenia krępjąe: 5,9MPa 0,05 1, 61MPa Wytrzymałość: t 196,4 0,00/ 0,16 dore 5,9MPa. ( 1,15,5 ) (3,1) (1,15,5 5,9 / 3,1) 49, 36MPa d. /1,4 49,36/1,4 35, 6MPa m.. 8MPa 57, 36MPa Z powyższyh analiz wynika, że oblizone wartośi wytrzymałośi na śiskanie beton skrępowanego różnią się w zależnośi od zastosowanej normy. Stosnek wyznazonyh wartośi (z PN0 do EC) w tym przykładzie wynosi: 1,07 dla wartośi średnih, 1,08 dla harakterystyznyh i 1,07 dla oblizeniowyh. Stosnek wartośi średniej wytrzymałośi z wyników badań do wytrzymałośi wg normy PN-0 wynosił 0,98, a do wytrzymałośi wg normy EC 1,05. W oblizeniah normy PN0 wpływ na nośność, a dokładniej wytrzymałość beton ma rodzaj i rozkład zbrojenia. Na wzrost nośnośi nie ma wpływ sama klasa beton. W przypadk normy EC sama klasa beton wpływa na wzrost wytrzymałośi beton skrępowanego. Głównym zynnikiem określająym skrępowanie jest stosnek

6 30 P. Sokal naprężeń krępjąyh do harakterystyznej wytrzymałośi na śiskanie. Norma PN0 ograniza wpływ stali zbrojeniowej na nośność przekroj, gdy taka sytaja w EC nie zahodzi. W dosłownym rozmieni norma PN0 nie określa wytrzymałośi na śiskanie a jedynie nośność przekroj na doisk. EC proponje ogólny model, w którym podaje wześniej wymienione parametry beton. 6. Podsmowanie z analizą dostępnej wiedzy i obszarami dalszyh możliwyh badań Zagadnienie skrępowania beton jest stosnkowo dobrze przebadane, jednak w obenej sytaji normowej nie ma jednoznaznyh wskazań, w jaki sposób należy względniać wpływ skrępowania. Trdne jest również określenie naprężeń w zwojeni przed azą zniszzenia. Uzwojenie zazyna zazwyzaj praować po przekrozeni wytrzymałośi na (jednoosiowe) śiskanie, a w momenie zniszzenia zazwyzaj dohodzi do plastyznienia stali. Na świeie prowadzone były różne prae [10], [11], [1], [13] i [14] związane ze skrępowaniem elementów matami z włókna węglowego, a także dla betonów wysokiej wytrzymałośi. Badania te prowadzono zwłaszza w Kanadzie, Franji i Indiah. Wydaje się jednak koniezna weryikaja model proponowanego przez EC dla betonów wysokiej wytrzymałośi, w polskih warnkah, także ze względ na speyikę krajowego granit. W streah zakotwień konstrkji kablobetonowyh zęsto stosje się zbrojenie w postai spirali. Zbrojenie to zabezpieza tę streę przed tratą nośnośi ze względ na doisk, a także nadmierne naprężenia roziągająe. Jednoześnie samo powodje skrępowanie beton znajdjąego się wewnątrz zwojenia. W przypadk dżej lizby kabli sprężająyh powstają problemy z rozmieszzeniem zbrojenia. Interesjąe wydaje się stosowanie spiral ze stali o większej graniy plastyznośi. Jej zastosowanie mogłoby pomó w rozwiązani wyżej wspomnianego problem. W polskiej pray [15] przedstawiono wpływ zbrojenia poprzeznego taką stalą na nośność śiskanyh słpów. Zastosowane pręty były jednak ze stali gładkiej i nie wykazały znaznej poprawy nośnośi. Interesjąym zagadnieniem może być również określenie wpływ konieznyh otworów (na kable sprężająe) na nośność stre zakotwień kablobeton z beton wysokiej wytrzymałośi, zbrojonyh spiralami.

7 Beton skrępowany w jęi polskih norm 303 BIBLIOGRFI 1. PN-EN :008, Erokod : Projektowanie konstrkji z beton. Część 1-1. Regły ogólne i regły dla bdynków, PKN, Warszawa PN-B 0364:00, Konstrkje betonowe, żelbetowe i sprężone. Oblizenia statyzne i projektowanie, PKN, Warszawa Olszak W.: Zagadnienia teorii elementów zwojonyh. Cz. 1 i. rhiwm Inżynierii Lądowej, t., Korzeniowski P.: Słpy zwojone, w: Konstrkje betonowe, żelbetowe i sprężone. Komentarz nakowy do PN-B-0364:00. pod red. Lewiiego B., ITB, Warszawa Godyi-Ćwirko T., Korzeniowski P., Nagrodzka-Godya K.: Żelbetowe słpy o przekroj kołowym w świetle badań i teorii. XLV Konerenja Nakowa KILiW PN i KN PZITB, Krynia Korzeniowski P.: Żelbetowe słpy zwojone. Badania i teoria. Wydawnitwo PG, Gdańsk Nowakowski.B.: Nośność żelbetowyh słpów zwojonyh. Inżynieria i Bdownitwo, nr 11, 1997, s. od 559 do Pająk Z., Starosloski W.: Doisk, w: Konstrkje betonowe, żelbetowe i sprężone. Komentarz nakowy do PN-B-0364:00. pod red. Lewiiego B., ITB, Warszawa Berthet J.F., Ferrier E., Hamelin P.: Behavior o high perormane onrete externally onined by omposite shells. High Perormane Strtres and Composites, pod red.: Brebbia C.., de Wilde W.P., WIT Press, Sothampton Ci C.: Behavior o normal and high strength onrete onined with ibre reinored polymers (FRP). University o Toronto, praa doktorska, Toronto, Razvi S.: Coninement o Normal and High-Strength Conrete Colmns. University o Ottawa, praa doktorska, Ottawa, Bayrak O., Sheikh S..: Coninement steel reqirements or high Strength Conrete olmns. 11 th World Conerene on Earthqake Engineering, kaplko, zerwie 1996, praa nr 463, (paper no. 463 ang). 13. Chikh N., Gahmos M., Benzaid R.: Strtral Perormane o High Strength Conrete Colmns Conined with CFRP Sheets, Proeedings o the World Congress on Engineering, t. 3 (Vol. III ang.), materiały online, Londyn, lipie 01.

8 304 P. Sokal 14. Lokge W. P., Setnge S., Sanjayan J. G.: Stress-strain model or high strength onrete onined by FRP, w: Inorporating Sstainable Pratie in Mehanis and Strtres o Materials, Taylor & Franis Grop, Londyn Waśniewski T., Sowa Ł., Kamińska M. E.: Wpływ zbrojenia poprzeznego na nośność i odkształalność słpów żelbetowyh. LVI Konerenja Nakowa KILiW PN oraz KN PZITB, s , Kiele Krynia, wrzesień 010. BETON SKRĘPOWNY W POLSKICH PRZEPISÓW NORMOWYCH Streszzenie Reerat omawia zagadnienie skrępowania beton opisane wedłg normy PN-EN :008 oraz w niektóryh aspektah normy PN-B 0364:00. Przedstawiono sposoby wyznazania wytrzymałośi oblizeniowej na śiskanie skrępowanego beton. Różnie zobrazowano również na przykładzie oblizeniowym. Opisano pokróte pewne aspekty dostępnej w tej dziedzinie wiedzy oraz wskazano możliwe obszary badań dotyząe głównie betonów wysokiej wytrzymałośi. CONFINED CONCRETE CCORDING TO POLISH CODES Smmary The paper desribes isse o oninement o onrete aording to PN-EN :008 ode and to some aspets o PN-B 0364:00 ode. The methods o determining the design vale o ompressive onined onrete strength are presented. Dierenes are shown on a allation example. Some aspets o available knowledge in this area are desribed and possible areas o researh espeially on the high perormane onrete are indiated.