Badanie na przebicie - cz. 1

STRONA GŁÓWNA - BADANIA - BADANIE NA PRZEBICIE - CZ. 1

Badania zachowania się strefy podporowej monolitycznych ustrojów płytowo - słupowych w stadium awaryjnym

Większość prowadzonych badań połączenia płyta - słup dotyczyło różnych sposobów zbrojenia oraz sprawdzenia modeli i metod obliczeniowych. Analizom podlegały również różne sposoby wzmocnienia tych stref konstrukcji. Niewiele uwagi poświęcono zachowaniu się strefy przysłupowej w stadium awaryjnym - po przebiciu. W 2008 roku na zlecenie Centrum Promocji Jakości Stali zostały wykonane badania, których celem było sprawdzenie pracy połączenia płyta-słup w stanie awaryjnym. Badanie odbyło się w Laboratorium Katedry Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej.

Praca awaryjna połączenia płytowo-słupowego na etapie projektowania zazwyczaj nie jest uwzględniana. Przyjmuje się, że w trakcie wykonania połączenia nie zostanie popełniony błąd, a ewentualny stan awaryjny sygnalizowany będzie przez duże ugięcia i zarysowania. W sytuacjach szczególnych, takich jak:

zastosowanie betonu o zaniżonej wytrzymałości w stosunku do wartości projektowanej,
przemrożenie betonu w okresie twardnienia,
zbyt wczesne rozdeskowanie konstrukcji,
lub lokalny wybuch,

połączenie płyty ze słupem może ulec kruchemu zniszczeniu. Przetrwanie konstrukcji w takim przypadku może zapewnić obecność dolnego zbrojenia krzyżującego się nad słupem. Oczywistym warunkiem jest, by zbrojenie to było w stanie przejąć obciążenia spoczywające na stropie – mimo zniszczenia strefy przysłupowej. Przejęcie sił przez dolne zbrojenie nadsłupowe i wykształcenie się ustroju cięgnowego jest uwarunkowane odpowiednią wydłużalnością graniczną stali zbrojeniowej. Czym większa bowiem wydłużalność stali zbrojeniowej, tym należy się spodziewać większych odkształceń a co za tym idzie mniejszych sił w układzie cięgnowym.

OPIS ELEMENTÓW PODDANYCH BADANIOM

GEOMETRIA

Badaniom poddane zostały dwa modele. Elementy te charakteryzowały się jednakową: geometrią, wytrzymałością betonu, strukturą zbrojenia górnego i sposobem obciążenia. Różniły się jedynie strukturą średnicą i gatunkiem stali zbrojenia dolnego płyty. Pojedynczy model badawczy stanowił fragment stropu w ustroju płytowo-słupowym i składał się z żelbetowej płyty o wymiarach 2,65 x 2,65 m grubości 0,20 m z centralnie usytuowanym od dołu słupem o długości 0,5 m i kwadratowym przekroju poprzecznym 0,4×0,4 m. Płytę modelu mocowano do stanowiska badawczego za pośrednictwem, rozmieszczonych obwodowo (w rozstawie 56,5 cm) śrub średnicy 65 mm. Założono obciążenie modeli siłą skupioną przykładaną do podstawy słupa według schematu przedstawionego na rys. 2. Dla umożliwienia przejęcia przez pręty dolne zbrojenia krzyżującego się nad słupem znacznych sił powstałych z chwilą utraty otulenia, wypuszczono je poza obrys modelu i zakotwiono w specjalnym uchwycie przymocowanym do stanowiska badawczego.

ZBROJENIE

Zbrojenie dolne modeli składało się z podłużnych prostych prętów zbrojeniowych średnicy φ12 wykonanych w zależności od modelu ze stali SI (model PI/16-1) lub SII (model PII/12-1). W narożach dołem zastosowano w obydwu modelach wyprofilowane pręty średnicy 12 mm ze stali SI. Rozstaw zbrojenia dolnego w płycie był w obydwu modelach taki sam i wynosił 95÷203 mm (średnio co 173 mm). Średni procent zbrojenia dolnego w obydwu modelach był taki sam i wynosił: ρS2 = 0,47%. Jako zbrojenie krzyżujące się nad słupem zastosowano w obydwu kierunkach: w modelu PII/12-1 po 2 wiązki 2φ12, stal SII (stal zimnowalcowana), w modelu PI/16-1 2 pręty φ16, stal SI (EPSTAL), które krzyżowały się nad słupem i wystawały poza obrys płyty. Zbrojenie to wyznaczono zgodnie z rekomendacjami do amerykańskiej normy ACI i Model Code. Osiowy rozstaw prętów i wiązek był taki sam i wynosił 200 mm. Równolegle do osi I-I pręty zbrojenia dolnego umieszczone były najbliżej dolnej powierzchni płyty, natomiast pręty wzdłuż osi II-II spoczywały na nich.

Model PI/16-1

Model PII/12-1

Zbrojenie górne obydwu modeli było identyczne i składało się z prostych, prostopadłych do siebie prętów średnicy 16 mm wykonanych ze stali SI. Rozstaw prętów był analogiczny jak w przypadku zbrojenia dolnego, a średni procent zbrojenia (z dwóch ortogonalnych kierunków) wynosił ρS1 = 0,76%. Modele zaprojektowano tak, aby w pierwszej kolejności nastąpiło ich przebicie, a płyta nie uległa zniszczeniu giętemu. Ilość zbrojenia na zginanie wyznaczono jak dla rzeczywistej konstrukcji płytowo-słupowej o siatce słupów 6×6 m z obciążeniem eksploatacyjnym równym 5 kN/m2. W narożach, podobnie jak dołem użyto prętów wyprofilowanych średnicy 16 mm ze stali SI. Równolegle do osi II-II pręty zbrojenia górnego umieszczone były najbliżej górnej powierzchni płyty, natomiast pręty wzdłuż osi I-I spoczywały pod nimi.

Model PI/16-1 oraz model PII/12-1

Zbrojenie słupa stanowiło 8 prostych prętów średnicy 20 mm rozmieszczonych po obwodzie. Zbrojenie poprzeczne wykonano jako zamknięte strzemiona z prętów średnicy 10 mm ze stali EPSTAL. Rozstaw strzemion w środkowym odcinku słupa był stały i wynosił 150 mm, natomiast w miejscu połączenia słupa z płytą jaki i u podstawy (w miejscu przyłożenia obciążenia skupionego z siłownika hydraulicznego) był zagęszczony do 50 mm. Otulina wszystkich prętów zbrojenia głównego płyty, położonego najbliżej powierzchni (dolnej lub górnej) oraz strzemion słupa (średnicy 10 mm) wynosiła cnom = 20 mm, a otulina prętów zbrojenia głównego słupa była równa cnom = 30 mm.

Zestawienie zbrojenia płyt

Parametr zbrojenia płyty / Model	PI/16-1	PII/12-1
Gatunek stali zbrojenia dolnego	SI (stal klasy A)	SII (stal klasy C - EPSTAL
Średnica zbrojenia dolnego (w obu kierunkach)	φ12	φ12
Rozstaw zbrojenia dolnego (w obu kierunkach)	95-203 mm (średnio co 173 mm)	95-203 mm (średnio co 173 mm)
Gatunek stali zbrojenia integrującego (znajdującego się w dolnej siatce zbrojenia) i krzyżującego się nad słupem	SI (stal klasy A	SII (stal klasy C - EPSTAL)
Średnica zbrojenia integrującego (w obu kierunkach)	2 pręty φ16	dwie wiązki 2φ12 każda
Rozstaw wiązek/prętów (w obu kierunkach)	200 mm	200 mm
Gatunek stali zbrojeniowej zbrojenia górnego	SII (stal klasy C - EPSTAL)	SII (stal klasy C - EPSTAL)
Średnica zbrojenia górnego (w obu kierunkach)	φ16	φ16
Rozstaw zbrojenia górnego (w obu kierunkach)	95-203 mm (średnio co 173 mm)	95-203 mm (średnio co 173 mm)

SYSTEM OBCIĄŻANIA

Badania każdego modelu realizowano poprzez 2 cykle obciążenia i odciążenia. W pierwszym cyklu elementy obciążono do wartości około 40kN, kontrolując wskazania aparatury pomiarowej oraz dopasowując ruchome elementy stanowiska do pozycji wyjściowych. W drugim cyklu obciążenie zwiększano skokowo co 20 kN do chwili przebicia (faza I) i dalej kontrolując geodezyjnie przyrost przemieszczeń (faza II), aż do chwili uzyskania maksymalnej nośności zbrojenia krzyżującego się nad słupem - Fmax,s. W elemencie PII/12-1 zbrojonym stalą zimnowalcowaną (klasa A) w fazie II po osiągnięciu wartości Fmax,s zluzowano śruby mocujące model stanowiska, przy dalszym obciążaniu model połączony był ze stanowiskiem za pośrednictwem zakotwionych dolnych prętów wystających poza model. Dalsze obciążenie w tej fazie prowadzone było, aż do osiągnięcia nośności ustroju cięgnowego (membranowego) Fmax. W elemencie PI/16-1, ze zbrojeniem krzyżującym się nad słupem wykonanym ze stali EPSTAL, w fazie II po uzyskaniu nośności zbrojenia krzyżującego się nad słupem Fmax,s zluzowanie śrub i badanie w schemacie cięgnowym modelu, ze względu na znaczne wychylenie słupa z pionu okazało się niemożliwe. W trakcie badań, zarówno w fazie I jak i w stanie awaryjnym (faza II) dokonywano pomiaru siły pionowej F za pomocą siłomierza o zakresie 2000 kN i dokładności 0,001 kN. W fazie I - do chwili przebicia, przy każdym poziomie obciążenia dokonywano, za pośrednictwem automatycznego stanowiska pomiarowego rejestracji ugięć linii środkowej płyt wzdłuż teoretycznych osi I-I i II-II za pośrednictwem 13 czujników (7 na osi II-II i 6 na osi I-I) indukcyjnych o dokładności odczytu 0,002 mm i zakresie wskazań ± 50 mm. Dodatkowo prowadzono geodezyjny pomiar przemieszczeń dolnej powierzchni płyty oraz słupa, wykorzystując repery LS, RS (na słupach) i LP, RP (do płyty). Zmiany położenie reperów dokumentowano niwelatorem z dokładnością ± 0,5 mm. Od chwili powstania pierwszych widocznych rys do chwili przebicia, prowadzono pomiar szerokości ich rozwarcia za pomocą lupy Brinella, o dokładności 0,05 mm.

RELACJA Z BADAŃ