Nośność elementów ściskanych zbrojonych prętami FRP. Wyniki badań doświadczalnych

Transkrypt

1 Maria Włodarczyk Nośość elemetów ściskaych zbrojoych prętami FRP. Wyiki badań doświadczalych JEL: L62 DO: /atest Data zgłoszeia: Data akceptacji: W artykule przedstawioo badaia doświadczale elemetów ściskaych zbrojoych prętami FRP (Fibre Reiforced Polymer) i stalowymi. Celem badań było oszacowaie wpływu rodzaju zbrojeia a ich ośość. Podczas badań zaobserwowao, że ziszczeie astępowało poprzez zmiażdżeie betou ściskaego. Słowa kluczowe: zbrojeie FRP, beto, stal, ośość, ściskaie, obciążeie osiowe Wstęp Współczese obiekty budowictwa kubaturowego i ifrastrukturalego wykoywae są główie jako kostrukcje betoowe żelbetowe lub sprężoe. Podczas eksploatacji często arażoe są a agresywe oddziaływaie środowiska powodujące ich destrukcję. Do ajczęstszych przyczy destrukcji zaliczaa jest korozja zbrojeia, która astępuje w wyiku karboatyzacji otuliy betoowej [1, 2, 3]. Największy problem z korozją zbrojeia występuje w obiektach budowictwa ifrastrukturalego a co istoty wpływ mają powtarzające się cykle odmrażaia i zamrażaia oraz chlorki powstałe między iymi w wyiku stosowaia środków do odladzaia jezdi. Procesy iekorzystego oddziaływaia środowiska a kostrukcję żelbetową wpływają a jej bezpieczeństwo i iezawodość oraz obiżają trwałość. W zależości od rodzaju kostrukcji (mosty, wiadukty, zbioriki a ciecze itp.) oraz waruków eksploatacji występuje bezpośredie i pośredie zagrożeie korozyje [4]. Zapewieie odpowiediej trwałości obiektom budowlaym staowi dość istoty problem techiczy [5]. W związku z tym coraz częściej sytuacje obliczeiowe wymagają od projektatów stosowaia alteratywego rozwiązaia dla zbrojeia stalowego. Jedą z takich możliwości jest zastosowaie prętów kompozytowych a bazie FRP (Fibre Reiforced Polymer). Mają oe wiele pożądaych właściwości między iymi, takich jak: wysoka wytrzymałość a rozciągaie [6, 7], lekkość, duża odporość a korozję oraz objętość elekromagetycza. W pewych okoliczościach użycie prętów kompozytowych FRP, zamiast tradycyjie zbrojeia stalowego, może się przyczyić do zwiększeia ośości i trwałości kostrukcji. Materiały kompozytowe FRP między iymi ze względu a zaczie dłuższą żywotość i wysoką wytrzymałość a rozciągaie staowią obiecujący zamieik stali zbrojeiowej w kostrukcjach betoowych. Obecie zastosowaie prętów FRP wykroczyło poza etap eksperymetaly i stosuje się je w wielu kostrukcjach betoowych, takich jak kostrukcje z betou sprężoego, fudamety, awierzchie dróg, parkigi, mosty, wiadukty itp. Na rysuku 1 pokazao zastosowaie prętów GFRP (Glass Fibre Reiforced Polymer) i BFRP (Basalt Fibre Reiforced Polymer) w zabudowie chodikowej mostu powstającego w ciągu drogi krajowej S51 a trasie Olszty Wschód Olszty Połudie (Rys. 1) [8]. Rys. 1. Zbrojeie CFRP i BFRP zabudowy chodikowej mostu w ciągu drogi S1 Olszty Wschód Olszty Połudie [8] Od kilkuastu lat prowadzoe są badaia ad właściwościami oraz możliwością zastosowaia jako zbrojeia wewętrzego elemetów kostrukcyjych prętów wykoaych z BFRP, GFRP, CFRP (Carbo Fibre Reiforced Polymer), HFRP (Hybrid Fibre Reiforced Polymer), które mogą staowić alteratywę do zbrojeia stalowego. Zdecydowaa większość badań i aaliz dotyczy elemetów zgiaych [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15], atomiast badań i aaliz zachowaia się elemetów ze zbrojeiem kompozytowym elemetów ściskaych było prowadzoe iewiele [16, 17, 18]. W artykule omówioo badaia elemetów ściskaych zbrojoych prętami FRP i referecyjymi prętami stalowymi. Badaia te miały a celu ustaleie wartości siły iszczącej i sposobu zachowaia się elemetów ściskaych z wykorzystaiem zbrojeia iemetaliczego FRP. 1. Wyiki i aaliza badań doświadczalych W celu możliwości określeia siły iszczącej elemetów ściskaych poddaych oddziaływaiu siły osiowej przyjęto wzrost siły od zera aż do ziszczeia. Do badań przyjęto modele słupów o wymiarach przekroju poprzeczego mm i wysokości 750 mm. Badaia ściskaia zostały wykoae w prasie EU Staowisko badawcze zostało pokazae a rysuku 2. Rys. 2. Staowisko badawcze do badaia elemetów ściskaych (prasa EU 1000) AUTOBUSY 12/

2 1,40 % 1,40 % 1.1. Elemety badawcze i wyiki eksperymetu Badaia obejmowały 5 serii modeli słupów, po dwa w każdej serii, różiące się między sobą ilością i rodzajem zbrojeia. Dla wszystkich badaych elemetów zastosowao beto tej samej klasy C35/45, o średiej wytrzymałości a ściskaie określoej a podstawie badań doświadczalych: fc 41, 00 MPa. Dla modeli słupów serii 1, elemety B1 i B2, użyto cztery pręty bazaltowe BFRP o średicy 8 mm. Sumaryczy procet zbrojeia dla tych elemetów wyosił. Seria 2 obejmuje elemety SK1 i SK2 zbrojoe czterema prętami szklaymi GFRP o średicy 8 mm i procecie zbrojeia, atomiast seria 3, elemety SK3 i Sk4, dla których zastosowao cztery pręty GFRP 10 ( ). Dla modeli słupów serii 4 i 5 zastosowao pręty ze stali BSt500, różiące się pomiędzy seriami średicą zbrojeia. tak dla serii 4 (elemet ST1 i ST2) użyto cztery pręty 8 o, a dla serii 5 (elemet ST3 i ST4) zastosowao cztery pręty 10 o. W tablicy 1 zestawioo rodzaj i liczbę prętów zbrojeia wraz z podaiem ich wytrzymałości a rozciągaie. Tab. 1. Zestawieie zbrojeia dla badaych elemetów Nazwa elemetu Rodzaj zbrojeia podłużego Średica i liczba prętów zbrojeia podłużego Wytrzymałość a rozciągaie [MPa] B1 BFRP B2 BFRP SK1 GFRP SK2 GFRP SK3 GFRP SK4 GFRP ST1 Stal BSt ST2 Stal BSt ST3 Stal BSt ST4 Stal BSt Podczas badań doświadczalych prowadzoo obserwację zachowaia się elemetu w zależości od wielkości przykładaego obciążeia, oraz rejestrowao postać ziszczeia. Po osiągięciu puktu graiczego, obciążeie było kotyuowae, w celu uzyskaia pełego przebiegu ścieżki rówowagi statyczej, rówież w zakresie pokrytyczym, jeśli to było możliwe ze względu a właściwości zbrojeia kompozytowego FRP i stalowego. Elemety ściskae, dla których zastawao zbrojeie FRP uległy ziszczeiu poprzez zmiażdżeie betou przy ściskaiu. Obraz i postać ziszczeia obrazują zdjęcia (zdjęcia od Rys. 3 do Rys. 8). Natomiast ziszczeie dla elemetów zbrojoych prętami stalowymi astąpiło ze względu a wyboczeie prętów zbrojeia podłużego, co w kosekwecji spowodowało zmiażdżeie betou, co obserwujemy a zdjęciach (zdjęcia od Rys. 9 do Rys. 12). Rys. 4. Elemet B2 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 727, 20 kn Rys. 5. Elemet SK1 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 680, 00 kn Rys. 6. Elemet SK2 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 699,10 kn Rys. 3. Elemet B1 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 550,00 kn Rys. 7. Elemet SK3 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 690, 00 kn 716 AUTOBUSY 12/2018

3 Rys. 8. Elemet SK4 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 733, 20 kn Rys. 9. Elemet ST1 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 740, 00 kn Rys. 12. Elemet ST4 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 580, 00 kn 1.2. Aaliza wyików i wioski W praktyce iżyierskiej realizacja ściskaego obciążeia osiowego jest iemożliwa do realizacji. Zawsze wystąpią tzw. mimośrody iezamierzoe [19]. W związku z tym ośość przekroju określamy traktując go jako mimośrodowo ściskay. Nośość przekrojów mimośrodowo ściskaych moża określić za pomocą krzywych iterakcji N-M (siła-momet), które ograiczają obszar bezpieczych kombiacji sił przekrojowych. Dla przekroju prostokątego o wymiarach b i h krzywe te zapisujemy przy pomocy rówaia (1): 2 N A A cc c si si i1 2 M A z A 0,5h d cc c c si si i i1 (1) Rys. 10. Elemet ST2 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 630, 00 kn Rys. 11. Elemet ST3 obraz i postać ziszczeia przy sile iszczącej N 570, 00 kn w którym N jest siłą podłużą ściskającą, M jest mometem zgiającym, Acc jest polem powierzchi strefy ściskaej betou, di jest odległością środka ciężkości zbrojeia ściskaego bądź rozciągaego odpowiedio od skrajych włókie ściskaych lub rozciągaych, zc jest ramieiem sił wewętrzych, c jest aprężeiem w betoie odpowiadającym wytrzymałości betou a ściskaie, si jest aprężeiem w przyjętym zbrojeiu. Dla zbrojeia stalowego w staie graiczym ośości aprężeia si odpowiadają wielkość graicy plastyczości stali. Natomiast dla zbrojeia wykoaego z prętów FRP przy określaiu ośości pomijamy jego wpływ w strefach ściskaych przekroju [6, 7]. Dla przekrojów ściskaych osiowo i obciążeiem przyłożoym a bardzo małych mimośrodach ośość przekroju określamy w odiesieiu do samego przekroju betou. Stosując rówaie (1) dla wszytkach badaych elemetów obliczoo wielkości teoretyczych sił iszczących a astępie porówao z wielkościami sił uzyskaych w wyiku eksperymetu. Przy obliczaiu wielkości sił teoretyczych N dla elemetów ze zbrojeiem stalowym BSt500, BFRP i GFRP uwzględioo założeia i wytycze stasowae w zależości od rodzaju zbrojeia. formacje te są zawarte między iymi w przytoczoych pozycjach literaturowych [19, 20, 21, 22, 23]. Dla wszystkich zbadaych elemetów w tablicy 2 zestawioo obliczoe wartości sił N, uzyskae w wyiku eksperymetu siły iszczące N oraz stosuek obydwu sił. Następie wyiki te po- AUTOBUSY 12/

4 służyły do aalizy zachowaia się elemetów zbrojoych prętami kompozytowymi a bazie FRP w staie graiczym ośości. Tab. 2. Wartości teoretyczej siły iszczącej badań doświadczalych Nazwa elemetu Siłą iszcząca teoretycza N [kn] N Siła iszcząca uzyskaa z badań doświadczalych N [kn] N i uzyskaej z N N B1 922,50 550,00 0,60 B2 922,50 727,20 0,79 SK1 922,50 680,00 0,74 SK2 922,50 699,10 0,76 SK3 922,50 690,00 0,75 SK4 922,50 733,20 0,79 ST1 893,03 740,00 0,83 ST2 893,03 630,00 0,71 ST3 942,27 570,00 0,60 ST4 942,27 580,00 0,62 Aalizując wyiki zamieszczoe w tablicy 2 moża zaobserwować, że różice pomiędzy oszacowaą siła teoretyczą N a uzyskaą z badań doświadczalych (Elemety B1, ST3 i ST4) do około 80% (Elemety B2, SK4 i ST1). Jedą z ajiższych ośości a ściskaie zarejestrowaych podczas badań doświadczalych osiągęły dwa elemety. Elemet B1 (zbrojeie 48, BFRP), dla którego wartość siły iszczącej wyosi N 550,00 kn i referecyjy elemet ST3 (zbrojeie 410, stal N wyoszą od około 60% BSt500), dla którego N 570, 00 kn. Dla modeli słupów zbrojoych prętami kompozytowymi a bazie FRP ajmiejszą siłę iszczącą osiągął elemet B1, która wyosi N 550,00 kn, a ajwiększą elemet SK4 (zbrojeie GFRP, 48) - N 733,20 kn. Na tym etapie badań doświadczalych ie moża jedozaczie wskazać przyczy uzyskaia takiej a ie iej wielkości siły iszczącej. Porówując wyiki uzyskae dla prętów stalowych i prętów FRP (przy tych samych średicach) możemy zaobserwować, że zastosowaie prętów BFRP i GFRP ie wpłyęło a obiżeie ośości elemetów ściskaych osiowo w porówaiu z elemetami zbrojoymi prętami stalowymi. Podsumowaie Na podstawie przeprowadzoych badań modeli słupów możemy zaobserwować, że pręty kompozytowe BFRP i GFRP w elemetach obciążoych osiowo moża zastosować jako zamieik zbrojeia stalowego. Zastosowaie prętów a bazie FRP wskazuje podobie jak prętów stalowych a korzysty wpływ a ośość elemetów ściskaych. Stosowaie zbrojeia wykoaego z prętów kompozytowych a bazie FRP jako alteratywy do zbrojeia stalowego w elemetach ściskaych wymaga idywidulaego podejścia oraz doświadczaia w praktyce iżyierskiej, jak rówież prowadzeia dalszych badań doświadczalych. Bibliografia: 1. Protcheko K., Włodarczyk M., Szmigiera E., vestigatio of behaviour of reiforced cocrete elemets stregtheed with FRP. Sciece Direct, Precidia Egieerig, Elsevier, 2015, doi /j.proeg , s Protcheko K., Włodarczyk M., Szmigiera E., Aalysis of iterface betwee FRP strip ad cocrete i structural systems. Theoretical Foudatios of Civil Egieerig. Structural Mechaics, Momografie Wydziału żyierii Lądowej, red, Jemioło S., Gajewski M., Oficya Wydawicza Politechiki Warszawskiej, 2016, vol. 7, s AC 440R-07, Report o Fiber-Reiforced Polymer (FRP) Reiforcemet for Cocrete Structures, Reported by AC Committee Rukiewicz L., Wpływ korozji a zagrożeia i awaryjość obiektów budowlaych, Przegląd Budowlay, 2016, r 12, s Garbacz A., Szmigiera E., Urbański M., Protcheko K., Kubas M., O badaiach hybrydowego zbrojeia FRP do kostrukcji ifrastrukturalych z betou, żyieria i Budowictwo, 2017 r 8, s Szumigała M., Pawłowski D., Zastosowaie kompozytowych prętów zbrojeiowych w kostrukcjach budowlaych, Przegląd budowlay 2014 r 3, s uch A., uch Ł., Waletyński R., Właściwości i zastosowaie kompozytowych prętów zbrojeiowych, Przegląd budowlay, 2017 r 11, s Trochymiak W., Private commuicatio, Politechika Warszawska. 9. Garbacz A., Szmigiera E. Protcheko K., Urbański M., O mechaical characteristics of HFRP bars with various types of hybridizatio, Polymers for Resiliet ad Sustaiable Cocrete frastructure/reda Taha Mahmoud M., Girum Urgessa, Moeeb Geedy ( red. ), Spriger, 2018, doi: / , s Håka Nordi, Björ Täljste, Testig of hybrid FRP composite beams i bedig, Composite Part B: Egieerig, Elsevier, vol. 35, 2004, doi /j.compositesb , s Neagow C.A., Gil L., Pérez M.A., Experimetal study of GFRP cocrete hybrid beams with low degree of shear coectio, Costructio ad Buildig Materials, Vol. 101, part 1, 2015, doi /j.cobuildmat , s Włodarczyk M., Markowski H., Aaliza pracy zgiaia belki ze zbrojeiem iemetaliczym, TTS, 2016 r 12, s Koaik A., Bel S., Jurkiewicz B., Experimetal Tests ad aalytical model of cocrete GFRP hybrid beams uder flexure, Composite Structures, vol 180, 2017 doi: /j.compstruct , s Goldsto M.W., Remeikov A., Neaz Sheikh M., Flexural behaviour of GFRP reiforced high stregth ad ultra high stregth cocrete beams, Costructio ad Buildig Materials, vol. 131, 2017, doi: /j.cobuildmat , s Urbański M., Łapko A., Effectivess of ß exural basalt reiforcemet applicatio i RC beam structures, Moder materials, isralatios ad costructio techologies, Fic S. (red.) Joh Paul State School of Higher Educatio, 2013, s Kusumawardaigsih Y., Hadi M.N.S., Comparative behaviour of hollow colums cofied with FRP composites, Composite Structures, Cost 3987, Elsevier, 2010, doi /j.compstruct , s Hosy M. Soghair, Mahmoud H.Ahmed, Atif M.Abdel-Hafez, Ahmed brahim H.Ramada, F.E.A. of R.C colums cofied by CFRP lamiates uder axial ad lateral load, Al-Azahar Egieerig, Nith teratioal Coferece, AEC 2007, s Bo Hu, Jia-guo Wag, Guo-qiag Li, Numerical simulatio ad stregth models of FRP-wrapped reiforced cocrete colums uder eccetric loadig, Costructio ad Buildig Materials, Elsevier, 2010, doi /j.compstruct , s PN-EN , Eurokod 2, Projektowaie kostrukcji z betou. Część 1-1: Reguły ogóle i reguły dla budyków, AUTOBUSY 12/2018

5 20. Nai, De Luca, Jawaheri Zadeh, & CRC Press. (2014). Reiforced cocrete with FRP bars: Mechaics ad desig, Boca Rato [etc.]: CRC Press Taylor & Fracis Group. 21. Jamel A. Mechaical property improvemet of carbo fiber reiforced polymeric composites by filler dispersio: a review, The Joural of the Mississippi Academy of Scieces, July Nai, De Luca, Jawaheri Zadeh, Reiforced cocrete with FRP bars: Mechaics ad desig, Boca Rato [etc.]: CRC Press Taylor & Fracis Group, Wight, J., Reiforced cocrete. Mechaics ad desig (7th ed., Global ed., Always Learig). Bosto [etc.], Pearso The stregth capacity of compressio members reiforced with FRP bars. The results of structural testig The paper describes experimetal testig o compressio members reiforced with FRP ad steel bars. The mai objective of the work was to ivestigate the effect of reiforcemet type o the stregth capacity of elemets. t was observed that i most of the cases the failure of the elemets happeed due to cocrete crushig. Keywords: reiforcemet FRP, cocrete, steel, load capacity, compressio, axial load Autor: dr iż. Maria Włodarczyk Politechika Warszawska, maria.wlodarczyk@il.pw.edu.pl AUTOBUSY 12/