SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŁÓDZKA ul. Żeromskiego Łódź KATEDRA BUDOWNICTWA BETONOWEGO NIP: REGON: LABORATORIUM BADAWCZE MATERIAŁÓW I KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH Al. Politechniki Łódź SPRAWOZDANIE Z BADAŃ Temat: Badanie prętów kompozytowych Zleceniodawca: Katedra Budownictwa Betonowego Własne badania naukowe. Nr umowy: Zlecenie wewnętrzne Data Zlecenia: r. Data opracowania: r. Sprawozdanie zawiera: Wyniki badania prętów kompozytowych GFRP i BFRP Opracowali: Autoryzował: Zaakceptował: P. Szymczak P. Olbryk prof. dr hab. inż. M.Kamińska Wyniki badań odnoszą się wyłącznie do badanych obiektów. Sprawozdanie z badań bez pisemnej zgody Laboratorium nie powinno być powielane inaczej jak w całości. Liczba Raportów 1 Nr egz. 1 / Strona / Stron 1 / 9

2 1. Metodyka badań prętów kompozytowych FRP 1.1. Ekwiwalentne pole przekroju oraz średnica pręta Ekwiwalentne pole przekroju określono ze wzoru: gdzie: A f ekwiwalentne pole przekroju, mm 2 ; ΔV - objętość określona na podstawie ilości wody wypartej przez badaną próbkę, ± 1mL, cm 3 ; L śr średnia długość próbki określona na podstawie trzech pomiarów uzyskanych poprzez obrócenie próbki o 120 stopni, ± 0,1mm, mm. Średnicę ekwiwalentną pręta określono ze wzoru: gdzie: d b ekwiwalentna średnica pręta, mm; A f ekwiwalentne pole przekroju pręta, mm Masa jednostkowa pręta Gęstość materiału, z którego wykonane są pręty, określono na podstawie pomiaru masy próbki (z dokładnością ± 0,01g), długości średniej L śr (z dokładnością ± 0,1mm), określonej na podstawie trzech pomiarów uzyskanych poprzez obrócenie próbki o 120 stopni, oraz ekwiwalentnego pola przekroju A f. Masę jednostkową pręta określa zależność: gdzie: m f ciężar jednostkowy, g/m; ρ f gęstość materiału, z którego wykonane są pręty, g/cm 3 ; A f ekwiwalentne pole przekroju pręta, mm Wytrzymałość na rozciąganie osiowe Ze względu na kruchość materiału pręty osadzano w stalowych rurkach i wypełniano szybkowiążącym zaczynem cementowym (rys. 1). 2

3 Rys.1. Sposób zakotwienia prętów FRP w stalowych rurkach Próbki rozciągano w maszynie wytrzymałościowej o zakresie 400kN. Wytrzymałość średnią f fu określono jako średnią arytmetyczną z trzech wyników. Wytrzymałość charakterystyczną f fuk określono pomniejszając wartość średnią f fu o iloczyn 3,4 x odchylenie standardowe poszczególnych wyników (odchylenie standardowe przyjmowano nie mniejsze niż 0,01 wielkości średniej) Zależność σ f ε f i współczynnik sprężystości Odkształcenia zostały odczytane przy użyciu miernika stanowiącego wyposażenie maszyny wytrzymałościowej, z odcinka pomiarowego o długości 50mm. Współczynnik sprężystości ustalano na podstawie zależności: gdzie: E f moduł sprężystości, GPa; F 1, ε 1 siła oraz odkształcenie odpowiadające naprężeniu równemu 20% wytrzymałości charakterystycznej, kn i ; F 2, ε 2 siła oraz odkształcenie odpowiadające naprężeniu równemu 50% wytrzymałości charakterystycznej, kn i ; A f ekwiwalentne pole przekroju, mm Odkształcenie graniczne Odkształcenie graniczne próbek zostało określone ze wzoru: gdzie: ε fu odkształcenie graniczne, ; F u siła niszcząca, kn; E f moduł sprężystości, GPa; A f ekwiwalentne pole przekroju, mm 2. 3

4 Charakterystyczne odkształcenie graniczne określono ze wzoru: ε fuk charakterystyczne odkształcenie graniczne, ; f fuk charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie, MPa; E f moduł sprężystości, GPa. 2. Doświadczalna charakterystyka prętów zawierających włókna szklane Badania wykazały liniową zależność naprężenia i odkształcenia (rys.2), aż do maksymalnej siły rozciągającej. Za graniczne odkształcenia uznawano te, które odpowiadały maksymalnemu naprężeniu, a więc pierwszemu odcinkowi wykresu. Pręty zawierające włókna szklane niszczyły się przez rozwłóknienie, któremu towarzyszyło zmniejszanie się siły rozciągającej. Rys.2. Przykładowa zależność σ-ε rozciąganego pręta z włóknami szklanymi Takiego sposobu zniszczenia nie zaobserwowano w przypadku prętów zawierających włókna bazaltowe. Te pręty niszczyły się przez zerwanie i miało to gwałtowny charakter. 4

5 3. Dokumentacja fotograficzna Poniżej przedstawiono zdjęcia, ilustrujące sposób prowadzenia badań prętów i najciekawsze rezultaty. Rys. 3. Próbka przygotowana do badań Rys. 4. Zaślepka z gipsu dentystycznego Rys. 5. Osadzenie pręta w rurze Rys.7.Baza pomiarowa w maszynie wytrzymałościowej Rys.8. Rozwarstwienie pręta rozciąganego 5

6 Pręty z włókna szklanego 4. Tabelaryczne zestawienie wyników pomiarów Wszystkie wyniki pomiarów zestawiono w tabelach 1 4. Podane charakterystyki wytrzymałościowe dotyczą wyłącznie prętów prostych. Nie mogą być stosowane w stosunku do prętów giętych. Tabela 1. Charakterystyka geometryczna i masa jednostkowa prętów kompozytowych z włóknami szklanymi Pomiar długości próbki Pomiar objętości Pole przekroju Średnica ekwiwalentna Masa próbki Gęstość próbki Masa jednostkowa Średni pomiar zewnętrzny Nr L1 L2 L3 L śr V p V k ΔV=V k -V p A f A f,śr d b d b,śr m ρ f ρ f,śr m f m f,śr d [cm] [cm] [cm] [cm] [cm 3 ] [cm 3 ] [cm 3 ] [cm 2 ] [cm 2 ] [mm] [mm] [g] [g/cm 3 ] [g/cm 3 ] [g/m] [g/m] [mm] 1 19,85 19,87 19,89 19, ,201 5,062 7,85 1,96 39, ,92 19,94 19,92 19, ,201 5,055 8,00 2,00 40, ,97 19,99 19,99 19, ,200 0,201 5,048 5,055 7,95 1,99 1,97 39,78 40,05 4,92 ± 0,5* 4 20,02 20,04 20,04 20, ,200 5,042 8,19 2,05 40, ,82 19,83 19,84 19, ,202 5,068 7,92 1,98 39, ,65 19,55 19,56 19, ,459 7,648 16,79 1,87 85, ,75 19,75 19,73 19, ,456 7,618 16,81 1,87 85, ,82 19,83 19,84 19, ,454 0,457 7,601 7,627 16,88 1,88 1,85 85,12 85,04 7,51 ± 0,5* 4 19,5 19,5 19,49 19, ,462 7,666 16,73 1,86 85, ,81 19,81 19,83 19, ,454 7,604 16,53 1,84 83, ,61 19,57 19,57 19, ,613 8,832 22,03 1,84 112, ,43 19,45 19,48 19, ,565 8,484 21,91 1,99 112, ,5 19,5 19,52 19, ,564 0,574 8,473 8,548 21,93 1,99 1,91 112,42 112,47 8,52 ± 0,5* 4 19,47 19,46 19,46 19, ,565 8,482 21,90 1,99 112, ,57 19,48 19,52 19, ,563 8,469 21,92 1,99 112, ,79 19,80 19,79 19, ,909 10,760 36,79 2,04 185, ,85 19,86 19,86 19, ,906 10,743 37,57 2,09 189, ,82 19,82 19,82 19, ,959 0,921 11,047 10,826 36,78 1,94 2,04 185,57 186,89 10,83 ± 0,5* 4 19,66 19,65 19,65 19, ,916 10,798 36,88 2,05 187, ,71 19,71 19,72 19, ,913 10,782 36,70 2,04 186,17 6

7 Pręty z włókna bazaltowego * - W celu zwiększenia przyczepności wiązki równoległych włókien są owijane dodatkowymi włóknami ułożonymi spiralnie. Pomiar średnicy zewnętrznej pręta za pomocą suwmiarki jest więc obarczony błędem wynikającym z miejsca dokonywania pomiaru przekroju samego rdzenia lub przekroju z oplotem. Wobec tego za podstawę obliczeń charakterystyk wytrzymałościowych przyjęto średnicę ekwiwalentną uzyskaną na podstawie obiektywnego pomiaru objętości. Tabela 2. Charakterystyka geometryczna i masa jednostkowa prętów kompozytowych z włóknami bazaltowymi Pomiar długości próbki Pomiar objętości Pole przekroju Średnica ekwiwalentna Masa próbki Gęstość próbki Masa jednostkowa Średni pomiar zewnętrzny* Nr L1 L2 L3 L śr V p V k ΔV=V k -V p A f A f,śr d b d b, śr m ρ f ρ f,śr m f m f,śr d [cm] [cm] [cm] [cm] [cm 3 ] [cm 3 ] [cm 3 ] [cm 2 ] [cm 2 ] [mm] [mm] [g] [g/cm 3 ] [g/cm 3 ] [g/m] [g/m] [mm] 1 19,98 19,99 19,99 19, ,350 6,677 14,70 2,10 73, ,79 19,81 19,81 19, ,353 6,708 14,64 2,09 73, ,93 19,93 19,95 19, ,301 0,351 6,190 6,676 14,80 2,47 1,99 74,24 74,14 6,83 ± 0,5* 4 19,96 19,95 19,95 19, ,351 6,683 14,77 2,11 74, ,08 20,09 20,07 20, ,398 7,122 15,05 1,88 74, ,75 19,74 19,77 19, ,506 8,028 23,70 2,37 119, ,77 19,78 19,79 19, ,556 8,414 23,85 2,17 120, ,89 19,89 19,88 19, ,553 0,545 8,392 8,326 23,97 2,18 2,26 120,53 120,12 8,94 ± 0,5* 4 19,83 19,83 19,84 19, ,555 8,403 23,83 2,17 120, ,88 19,89 19,88 19, ,553 8,392 23,73 2,16 119,35 * - W celu zwiększenia przyczepności wiązki równoległych włókien są owijane dodatkowymi włóknami ułożonymi spiralnie. Pomiar średnicy zewnętrznej pręta za pomocą suwmiarki jest więc obarczony błędem wynikającym z miejsca dokonywania pomiaru przekroju samego rdzenia lub przekroju z oplotem. Wobec tego za podstawę obliczeń charakterystyk wytrzymałościowych przyjęto średnicę ekwiwalentną uzyskaną na podstawie obiektywnego pomiaru objętości. 7

8 Pręty z włókna bazaltowego Pręty z włókna szklanego Tabela 3. Wytrzymałość na rozciąganie prętów kompozytowych z włóknami szklanymi i bazaltowymi Średnica nominalna Średnica ekwiwalentna Pole przekroju Siła niszcząca Naprężenie niszczące Wartość średnia Wartości wyrażeń do obliczeń odchylenia standardowego Wytrzymałość charakterystyczna d nom [mm] d b [mm] A f [mm 2 ] 5 5,05 20,07 7,5 7,63 45,73 8,5 8,55 57, ,83 92,07 F u [kn] f u =F u /A f f fu 26 25,8 1295,5 1285,5 1288,8 6,76-3,20 45,74 10,25 25,8 1285,5-3,20 10,25 48,8 1067,1 13,12 172,15 47,7 1043,1 1054,0-10,93 119,55 48,1 1051,8-2,19 4,78 57,8 1006,6-12,77 163,10 57,5 1001,4 1019,4-18,00 323,84 60,3 1050,1 30,77 946,57 105,8 1149,1 31,49 991,87 103,7 1126,3 1117,6 8,69 75,43 99,2 1077,4-40, ,29 f u,i - f fu (f u,i - f fu ) 2 σ 1 σ 2 =1%*f fu k f fuk 5,76 12,89 3, ,18 10,54 3, ,77 10,19 3, ,62 11,18 3, ,68 35,08 9 8,33 54,47 43,7 44,7 1245,7 1274,2 1184,9 60,75 89, , ,03 (36,35) 1034, ,2 1343,9-131, ,32 87,2 1600,9 1474,8 125, ,71 80,6 1479,7 4,81 23,15 107,97 11,85 3, ,58 14,75 3,

9 Pręty z włókna bazaltowego Pręty z włókna szklanego Ekwiwalentna średnica Ekwiwalentne Pole przekroju Wytrzymałość średnia Wytrzymałość charakterystyczna Przedział naprężeń Siła, odkształcenie odpowiadające 20% i 50% wytrzymałości charakterystycznej Moduł sprężystości Odkształcenie graniczne Charakterystyczne odkształcenie graniczne Tabela 4. Moduł sprężystości i odkształcenie graniczne prętów kompozytowych z włóknami szklanymi i bazaltowymi d b [mm] A f [mm 2 ] f fu f fuk 20%f fuk 50%f fuk F 1 [kn] F 2 [kn] ε 1 [ ] ε 2 [ ] E f [GPa] E f,śr [GPa] ε fu [ ] ε fu,śr [ ] ε fuk [ ] 5,05 20,1 1288, ,0 622,4 10,83 92,1 1117, ,6 496,6 7,63 45,7 1054, ,5 506,3 8,55 57,4 1019, ,7 464,2 5,02 5,03 12,55 13,05 5,42 5,59 13,45 14,46 46,65 45,05 45,9 27,77 28,53 5,02 13,05 5,28 14,00 45,87 28,02 18,57 46,46 5,48 12,79 41,42 27,74 18,59 46,36 4,29 10,29 50,27 49,1 22,40 18,56 46,38 3,68 9,11 55,59 19,38 9,31 23,27 5,20 12,96 39,29 27,16 9,30 23,26 5,29 12,98 39,75 40,2 26,24 9,31 23,27 4,89 12,24 41,51 25,34 10,78 29,85 4,28 11,91 43,51 23,13 10,79 26,92 4,03 9,90 47,83 46,8 20,93 10,80 26,99 3,91 9,65 49,13 21,37 28,1 27,1 23,2 20,2 26,2 25,2 21,8 19,8 6,68 35,1 1184, ,5 408,7 8,33 54,5 1474, ,5 518,9 8,40 8,42 21,05 21,04 4,91 4,11 12,22 10,35 49,32 57,59 52,8 25,26 22,13 8,42 21,06 4,40 11,41 51,40 20,16 11,86 29,68 3,44 9,25 56,30 23,87 11,85 29,71 3,72 9,55 56,26 56,3 28,46 11,87 29,68 11,72 26,21 (22,57) (65,55) 22,5 15,5 26,2 18,4 9

10 10