SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

POLITECHNIKA ŁÓDZKA ul. Żeromskiego 116 90-924 Łódź KATEDRA BUDOWNICTWA BETONOWEGO NIP: 727 002 18 95 REGON: 000001583 LABORATORIUM BADAWCZE MATERIAŁÓW I KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH Al. Politechniki 6 90-924 Łódź SPRAWOZDANIE Z BADAŃ Temat: Badanie betonowych belek zbrojonych prętami kompozytowymi Zleceniodawca: Katedra Budownictwa Betonowego Własne badania naukowe. Nr umowy: Zlecenie wewnętrzne Data Zlecenia: 01.06.2012 r. Data opracowania: 12.12.2012 r. Sprawozdanie zawiera: Wyniki badania belek zbrojonych prętami GFRP i BFRP Opracowali: Autoryzował: Zaakceptował: P. Szymczak P. Olbryk prof. dr hab. inż. M.Kamińska Sz. Chołostiakow 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 / 13

Badania betonowych belek zbrojonych prętami kompozytowymi 1. Wprowadzenie Liniowo-sprężysta charakterystyka wytrzymałościowa prętów kompozytowych FRP (Fiber Reinforced Polymer) powoduje, że nie można liczyć na plastyczne odkształcenia zbrojonych nimi zginanych belek żelbetowych. Oznacza to bardzo nikłą zdolność takich elementów do redystrybucji sił wewnętrznych, w przeciwieństwie do belek zbrojonych stalą. Nośność betonowych belek zbrojonych prętami FRP zależy od wielu czynników, z których za najważniejsze trzeba uznać [1, 2, 3]: wytrzymałość i odkształcenia graniczne prętów przy rozciąganiu, przyczepność do betonu, stopień zbrojenia podłużnego, wytrzymałość betonu na ściskanie i graniczne odkształcenia betonu ε cu, stopień zbrojenia poprzecznego i kształt tego zbrojenia (strzemiona, spirala), a także wytrzymałość FRP na ściskanie, co jest istotne w odniesieniu do prętów umieszczonych w ściskanej strefie przekroju. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe wyniki obliczeń, ilustrujące wpływ niektórych z tych parametrów na nośność przy zginaniu. Obliczenia wykonano przyjmując płaski stan odkształcenia przekroju, nieliniowe zależności σ-ε dla betonu i stali zbrojeniowej, liniową zależność dla prętów FRP oraz zasadę tension stiffening. Rozważono przekrój prostokątny, zbrojony tylko w strefie rozciąganej, przy różnych stopniach zbrojenia. 0,0050 0,0045 0,0040 0,0035 0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 M R /bh 2 Stal (E=200GPa) Szkło (E=50GPa) Bazalt (E=90GPa) 0,0000-0,010 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 r 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 M R /bh 2 Bazalt ρ =0,005 f ck =25MPa εεcu=3,5 =5,1 εεcu=5,1 =3,5 kd 0,0000 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 Rys. 1. Wpływ na nośność zginania rodzaju zbrojenia (stal, szkło, bazalt) i stopnia zbrojenia przekroju ρ= A f /(bd) oraz granicznych odkształceń betonu ε cu (b szerokość przekroju, d użyteczna wysokość przekroju, d krzywizna) 2

Stopień zbrojenia potraktowano geometrycznie, jako ρ = A p /(bd), nie uwzględniając różnych charakterystyk wytrzymałościowych rozważanych materiałów. Przyjęto wytrzymałość betonu f ck = 25MPa oraz dwa graniczne odkształcenia betonu jak dla betonu zwykłego i np. lekkiego kruszywowego. Można zauważyć wyraźny wpływ wszystkich trzech parametrów rodzaju zbrojenia rozciąganego, stopnia zbrojenia przekroju oraz granicznego odkształcenia betonu strefy ściskanej na nośność przy zginaniu. Istotny jest zwłaszcza wpływ granicznej odkształcalności ściskanego betonu. Rys. 2. Graniczne odkształcenia przekroju Przyjęcie zasady zachowania płaskiego przekroju oraz wartości granicznych odkształceń zarówno ściskanego betonu ε cu jak i kompozytowego zbrojenia ε fu (rys.2) umożliwia wyznaczenie granicznego stopnia zbrojenia przekroju ρ fb : Przekrój słabo zbrojony, o stopniu zbrojenia ρ < ρ fb, niszczy się przez zerwanie zbrojenia kompozytowego. Jeżeli ρ > ρ fb, dochodzi do zmiażdżenia betonu w strefie ściskanej, przy czym nośność kompozytu nie jest wykorzystana. W obydwu przypadkach zniszczenie nie jest wcześniej sygnalizowane i ma gwałtowny charakter. Wytyczne ACI [1] zalecają wprowadzenie współczynnika redukcyjnego Φ do nośności przekroju ze względu na zginanie. Wartość tego współczynnika zależy od stopnia zbrojenia przekroju (rys. 3), w odniesieniu do jego granicznej wartości. Rys. 3. Współczynnik redukcyjny w funkcji stopnia zbrojenia ρ fb [1] Rolą współczynnika Φ jest uwzględnienie w obliczeniach dodatkowego zapasu bezpieczeństwa, co jest niezbędne ze względu na niesygnalizowaną, kruchą postać zniszczenia. 3

2. Materiały kompozytowe zastosowane w badaniach W badaniach zastosowano pręty kompozytowe zawierające włókna szklane, w postaci prętów prostych i spiralnych strzemion (rys. 4), oraz włókna bazaltowe, w postaci prętów prostych. Rys. 4. Pręty proste i spiralne strzemiona (włókna szklane) Wykaz zastosowanych prętów wraz z ich podstawową charakterystyką wytrzymałościową i fizyczną zawiera Tablica 1. Tablica 1. Właściwości prętów kompozytowych Rodzaj włókna szkło Kształt pręta Średnica Pole przekroju Masa Wytrzymałość na rozciąganie Moduł sprężystości mm mm 2 kg/m MPa GPa prosty 5,06 20,1 40 1288 45,9 28,1 prosty 10,83 92,1 187 1118 46,8 21,8 spirala 4 - - - - - spirala 8 - - - - - Odkształcenie graniczne bazalt prosty 6,68 35,1 74 1185 52,8 22,5 prosty 8,33 54,5 120 1475 56,3 26,2 3. Program badań Ogółem badania objęły 8 belek, o rozpiętości w osiach podpór 3,00m, obciążanych dwiema siłami skupionymi, ustawionymi symetrycznie w odległości 0,8m od podpór. Cztery pierwsze belki zostały tak zaprojektowane, aby wyeksponować wpływ rodzaju prętów FRP i stopnia zbrojenia podłużnego na nośność (tabl. 2 oraz rys. 5 i 6). Zbrojenie podłużne w strefie ściskanej i zamknięte strzemiona umieszczono tylko w strefach przypodporowych (między podporami i siłami obciążającymi belkę), przy czym wykonano je ze stali RB500W. Podłużne zbrojenie rozciągane stanowiły pręty kompozytowe, z włóknami szklanymi lub bazaltowymi. Tablica 2. Charakterystyka belek badanych ze względu na nośność zginania Wymiary przekroju Włókno kompozytu Średnica prętów FRP Pole pręta Liczba prętów FRP Stopień zbrojenia Graniczny stopień zbrojenia Belka ε cu = 0,003 ε cu = 0,0035 A f ρ f wg ACI [1] wg PN-EN [6] mm - mm mm 2 - - - - 1-G szkło 5,06 20,1 3 0,00144 0,00193 0,00221 2-G 150 x 300 10,83 92,1 2 0,00447 0,00307 0,00351 1-B bazalt 6,68 35,1 2 0,00170 0,00236 0,00270 2-B 8,33 54,5 3 0,00396 0,00299 0,00342 ρ fb 4

Rys. 5. Wymiary i zbrojenie belek eksponujące efekty zastosowania prętów FRP jako zbrojenia rozciąganego Rys. 6. Widok zbrojenia belki B2 Kolejne dwie belki zaprojektowano tak, aby móc ocenić efekty zastosowania strzemion FRP jako zbrojenia na ścinanie. Zbrojenie podłużne rozciągane i ściskane oraz część strzemion w środkowym odcinku belki wykonano ze stali RB500W (rys. 7 i tablica 3). Strzemiona kompozytowe nie mogą być oczywiście wyginane na budowie, tak jak stalowe. Ze względów technologicznych wytwórnie FRP kształtują pręty w postaci spirali. Po zwykłym rozciągnięciu spirali otrzymuje się strzemiona pochylone względem podłużnej osi belki. Strzemiona można jednak ukształtować tak, aby ich ramiona umieszczone przy bocznych powierzchniach belki były prostopadłe do jej osi ułożone pod kątem są wtedy ramiona przy 5

dolnej i górnej powierzchni belki. Taki właśnie sposób kształtowania strzemion zastosowano w belkach S-1 i S-2 (rys. 8). Rys. 7. Zbrojenie belek eksponujące efekty zastosowania prętów FRP jako zbrojenia na ścinanie Rys. 8. Spiralnie ukształtowany pręt FRP jako zbrojenie na ścinanie; ramiona strzemion ułożone przy dolnej powierzchni belki pochylone względem jej osi Tablica 3. Charakterystyka belek badanych ze względu na nośność ścinania Wymiary Pręty Stopień Rozstaw / średnica zbrojenia poprzecznego przekroju podłużne zbrojenia strona lewa środek strona prawa Belka stalowe podłużnego GFRP stal RB500W GFRP mm mm - mm mm mm S-1 góra 0,0218 100 / 4 50 / 4 180 x 360 2 #12 spirala 70 / 6 spirala S-2 dół 4 # 20 0,0218 100 / 8 spirala dwucięte 50 / 8 spirala Niesymetryczne zbrojenie przypodporowych stref obu belek przyjęto z myślą o badaniu każdej z nich w dwóch etapach. Założono, że po zniszczeniu belki na ścinanie w słabiej zbrojonej strefie przypodporowej zostanie skrócona rozpiętość belki (przy niezmienionej odległości sił od podpór) i belka zostanie obciążona ponownie, aż do zniszczenia strefy o silniejszym zbrojeniu poprzecznym. Jako zbrojenie dwóch ostatnich belek, zarówno podłużne (dolne i górne) jak i poprzeczne, zastosowano pręty FRP zawierające włókna szklane (rys. 9 i 10 oraz tab.4). 6

Rys. 9. Zbrojenie belki wykonane w całości z prętów GFRP ze słabym zbrojeniem poprzecznym (belka G-1) Rys. 10. Zbrojenie belki wykonane w całości z prętów GFRP z silnym zbrojeniem poprzecznym (belka G-2) Tablica 4. Charakterystyka belek ze zbrojeniem całkowicie kompozytowym GFRP (włókna szklane) Wymiary Włókno Średnica Pole Liczba Stopień Rozstaw / średnica zbrojenia poprzecznego Belka przekroju FRP prętów pręta A f prętów FRP zbrojenia strona lewa środek strona prawa mm - mm mm 2 - - mm mm mm G-1 szkło góra 5,06 20,1 2 0,00310 50 / 4 100 / 4 50 / 4 180 x 360 dół 10,83 92,1 2 spirala cięte spirala G-2 szkło góra 10,83 92,1 2 0,00310 50 / 8 50 / 8 100 / 8 dół 10,83 92,1 2 spirala spirala cięte 7

Rys. 10. Widok zbrojenia belki G-2 Kompozytowe strzemiona belek G-1 i G-2 były kształtowane na dwa sposoby (por. rys. 10: - jako ciągłe, otrzymane w efekcie rozciągnięcia spirali, o wszystkich ramionach pochylonych względem podłużnej osi belki, - jako dwucięte, otrzymane przez pocięcie spirali na odpowiednie odcinki. Ten pierwszy sposób jest wygodny pod względem technologicznym, ale prowadzi do pochylenia strzemion przy jednej z bocznych powierzchni pod niekorzystnym kątem, nie odpowiadającym kierunkowi działania głównych naprężeń rozciągających. 4. Wyniki badań 4.1 Informacje ogólne Wszystkie belki były obciążane aż do zniszczenia. W toku badania rejestrowano: - skrócenia lub wydłużenia baz pomiarowych o długości 300mm, ustabilizowanych na bocznej powierzchni belki, w strefie ściskanej i rozciąganej, - przemieszczenia osi belki, w 5 punktach na jej długości, - odkształcenia rozet pomiarowych usytuowanych na bocznej powierzchni belki (tylko w belkach badanych na ścinanie), - rozwój i szerokości rozwarcia rys (w zakresie obciążenia bezpiecznym dla obserwatorów), - wielkość sił obciążających (dwa siłowniki, zasilane z tego samego źródła, pomiar czujnikiem ciśnieniowym). Poniżej zostaną przedstawione tylko najważniejsze informacje dotyczące mechanizmów zniszczenia belek i wielkości sił niszczących. Wszystkie szczegółowe wyniki są dostępne w Katedrze Budownictwa Betonowego Politechniki Łódzkiej. 8

4.2 Zginanie Wszystkie cztery belki zniszczyły się w sposób gwałtowny, nie sygnalizowany. W tablicy 5 podano wartości sił niszczących i opisano sposób zniszczenia. Tablica 5. Zniszczenie belek badanych ze względu na zginanie Belka Siła niszcząca Sposób zniszczenia Obraz zniszczenia F u kn 1-G 10,2 Zniszczenie w strefie czystego zginania; zerwanie prętów w strefie rozciąganej; rozłupanie belki Belka nie osiągnęła przewidywanej siły niszczącej. 2-G 18,0 Zniszczenie nastąpiło przez przedwczesne zerwanie skrajnego pręta, przypadkowo uszkodzonego podczas montażu oprzyrządowania pomiarowego; (Zdjęcie przedstawia stan przed utratą stateczności) 1-B 21,0 Zniszczenie w strefie czystego zginania; zerwanie jednego z prętów w strefie rozciąganej, drugi pręt wyrwał się z betonu przy odciążaniu belki 2-B 56,5 Zniszczenie w strefie czystego zginania; zmiażdżenie betonu w strefie ściskanej; dwa skrajne pręty kompozytowe wyrwały się z betonu przy odciążaniu belki, trzeci środkowy pozostał w betonie 9

Belka 2-B, jak podano w tablicy 5, zniszczyła się na skutek przypadkowego uszkodzenia jednego z dwóch prętów, przy instalowaniu oprzyrządowania pomiarowego. Spowodowało to utratę płaskiej postaci zginania, wyboczenie belki i gwałtowne jej rozłupanie na dwie części, z upadkiem ze stanowiska. Ten przypadek potwierdza informacje o kruchym charakterze zniszczenia belek zbrojonych prętami FRP. 4.3 Ścinanie Belkę S-1 obciążano dwukrotnie po zniszczeniu typowym dla ścinania, w strefie przypodporowej o słabszym zbrojeniu na ścinanie, przesunięto siłownik i podporę i belkę obciążono ponownie. W tym drugim etapie także doszło do zniszczenia typowego dla ścinania, w rysie ukośnej. Poprzeczne zbrojeni belki S-2 okazało się tak mocne, że belka zniszczyła się ze względu na zginanie. W tablicy 6 podano wartości sił niszczących i opisano sposób zniszczenia. Tablica 6. Zniszczenie belek badanych ze względu na ścinanie Belka Siła niszcząca Sposób zniszczenia Obraz zniszczenia F u kn I etap obciążenia 126,0 Zniszczenie charakterystyczne dla ścinania, w strefie o słabszym zbrojeniu poprzecznym; S-1 strzemiona zerwane w obrębie rysy, zachowana przyczepność betonu do strzemion pod i nad rysą niszczącą II etap obciążenia 229,0 Zniszczenie charakterystyczne dla ścinania; strzemiona zerwane w obrębie rysy, zachowana przyczepność betonu do strzemion pod i nad rysą niszczącą 10

S-2 244,0 Zniszczenie w strefie między siłami, charakterystyczne dla zginania; zmiażdżenie betonu w strefie ściskanej; strefy przypodporowe zarysowane, ale bez objawów zniszczenia 4.4 Zbrojenie w całości kompozytowe Belki zbrojone tylko zbrojeniem kompozytowym zniszczyły się w ten sam sposób. Można go określić jako zginająco-ścinające, co oznacza łączny wpływ zginania i ścinania. W obydwu przypadkach zniszczenie wystąpiło w strefach między siłą a podporą. W przypadku belki G-2 do zniszczenia doszło w strefie zbrojonej strzemionami o rozstawie 100mm. Szczegóły zniszczenia i wielkości sił niszczących są podane w tablicy 7. Tablica 7. Zniszczenie belek ze zbrojeniem całkowicie kompozytowym GFRP Belka Siła niszcząca Sposób zniszczenia Obraz zniszczenia F u kn G-1 65,1 Zniszczenie zginająco ścinające, gwałtowne; zmiażdżenie betonu w strefie ściskanej, odkształcenie prętów ściskanych; zerwanie strzemion w obrębie rysy; odsłonięcie zbrojenia rozciąganego; G-2 71,9 Zniszczenie zginająco ścinające, gwałtowne; zmiażdżenie betonu w strefie ściskanej, odkształcenie prętów ściskanych; zerwanie strzemion w obrębie rysy; odsłonięcie zbrojenia rozciąganego; zerwanie prętów rozciąganych 11

4.5 Podsumowanie wyników badań Wyniki badań potwierdziły przewidywania co do mechanizmów zniszczenia ze względu na zginanie belek zbrojonych FRP: - przy stopniach zbrojenia ρ f < ρ fb zniszczenie ma charakter gwałtowny, dochodzi do zerwania prętów FRP i całkowitego przełamania belki - przy stopniach zbrojenia ρ f > ρ fb o zniszczeniu decyduje graniczna odkształcalność betonu strefy ściskanej, pręty FRP nie osiągają granicznych odkształceń; w badaniach osiągnięto ε cu,max = 0,00448 (belka 2-B). Rozciągane pręty FRP współpracują z betonem podobnie jak pręty stalowe. Przyczepność betonu do kompozytu jest zachowana w całym zakresie obciążenia. Świadczy o tym rozwój rys w strefie wpływu zbrojenia (w dolnej części belki) rysy wyraźnie się rozgałęziają, a powyżej tej strefy łączą w tzw. rysy zbiorcze. Ugięcia belek były oczywiście duże, zdecydowanie nie spełniały wymagań użytkowych, co wynikało m.in. z niskich stopni zbrojenia, przyjętych w badaniach. Strzemiona kompozytowe wbrew obawom wykazały wysoką skuteczność w przenoszeniu ścinania. Strzemiona zrywały się w obrębie całej rysy niszczącej, poza nią zachowywały przyczepność do betonu. Nie dochodziło do lokalnego niszczenia strzemion w miejscu załamania spirali kompozytowej, z której je kształtowano. 5. Zastosowanie FRP jako zbrojenia betonu Do celów projektowania betonowych elementów zbrojonych kompozytami FRP można stosować te same zasady, które SA przyjęte dla zbrojenia stalowego [4]. Podstawą wymiarowania powinien być stan odkształcenia przekroju, z ograniczeniami wynikającymi z liniowo sprężystej charakterystyki kompozytu i jego odkształcenia granicznego. Należy podkreślić, że zachowanie się prętów FRP umieszczonych w strefie ściskanej belki nie jest jeszcze wyjaśnione i wymaga dalszych badań [2]. Stan graniczny odkształcalności (SGU) odgrywa w przypadku elementów zbrojonych kompozytami znacznie większą rolę niż przy zbrojeniu stalowym. W obliczeniach powinno się uwzględniać nieliniową charakterystykę betonu i zasadę tension stiffening. Ze względu na kruchy charakter zniszczenia belek zbrojonych kompozytami celowe jest przyjęcie w obliczeniach dodatkowego współczynnika korekcyjnego do nośności zginania, jak w wytycznych ACI [1]. Wadą zbrojenia kompozytowego jest niski współczynnik sprężystości, chociaż oczywiście zależy to od rodzaju włókien i matrycy. Włókna szklane i bazaltowe są pod tym względem mniej przydatne niż węglowe, ale mają inne zalety, np. niższą cenę i lepszą odporność na niektóre czynniki agresywne. Obszary potencjalnych zastosowań zbrojenia kompozytowego to przede wszystkim elementy budowlane narażone na agresywne oddziaływania środowiska, dla których najważniejsza 12

jest trwałość, a nie doraźna wytrzymałość. Do takich elementów należą budowle masywne (przyczółki, ściany oporowe, pale, nasypy), a także powierzchniowe (płyty pomostów, nawierzchnie, posadzki). Literatura [1] ACI 440.3R-04, Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars [2] fib BULLETIN 40, FRP reinforcement in RC structures, September 2007 [3] WAŚNIEWSKI T., SOWA Ł., KAMIŃSKA M., Konsekwencje stosowania prętów kompozytowych FRP jako zbrojenia betonu, Inż. i Bud., Nr 11/2006, pp. 591-594 [4] PN-EN 1992-1-1 Eurokod 2, Projektowanie konstrukcji z betonu, Część 1-1: Reguły ogólne I reguły dla budynków Wyniki relacjonowanych badań zostały przedstawione na dwóch konferencjach: [A] SZYMCZAK P., OLBRYK P., CHOŁOSTIAKOW S., KRAWCZYK M., Czynniki wpływające na nośność belek betonowych zbrojonych prętami kompozytowymi, Konferencja POIG Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości elementów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju, Łódź 18-20 listopada 2012, Materiały konferencyjne, s. 39-40 [B] CHOŁOSTIAKOW Sz., KRAWCZYK M., OLBRYK P., SZYMCZAK P., Effects of FRP reinforcement on flexural behavior of concrete beams, Conference on Civil Engineering Structure Based on Polymer Composites, 1 st CECOM 2012, Kraków 22-23 listopada, Conference Proceedings, p. 49-50 13