1. en

Badanie dwuprzęsłowej belki żelbetowej

STRONA GŁÓWNA   -   BADANIA   -   BADANIE DWUPRZĘSŁOWEJ BELKI ŻELBETO...

Badanie wpływu plastyczności zbrojenia na zachowanie się dwuprzęsłowej belki żelbetowej

Cel i założenia do badań

Celem badania było określenie różnic w zachowaniu się dwuprzęsłowej belki żelbetowej w zależności od parametrów mechanicznych stali zbrojeniowej typu A i C (wg Eurokodu 2).

Badania były wykonane na dwóch zestawach elementów badawczych składających się z dwóch belek każdy. W ramach każdego zestawu belek założono zastosowanie innego typu stali zbrojeniowej. W badaniach przyjęto nazywać stal każdego typu odpowiednio: SI i SII. Typy stali zbrojeniowej użytej do zbrojenia modeli badawczych przedstawiono w poniższej tabeli.

SI klasa C
(wg Eurokodu 2)
stal gorącowalcowana
Epstal
SII klasa A
(wg Eurokodu 2)
stal zimnowalcowana

Założono symetryczne obciążenie każdego przęsła belek czterema siłami skupionymi według schematu przedstawionego na rys. 1. Położenie sił skupionych dobrano tak, aby możliwie jak najdokładniej odwzorować obciążenie równomiernie rozłożone.

 

Rys. 1 Schematy obciążenia modeli

Jako podstawowy parametr zmienny (różniący modele) przyjęto gatunek stali zbrojenia podłużnego i poprzecznego. Pozostałe parametry tzn. stopień zbrojenia podłużnego i poprzecznego, wytrzymałość betonu, sposób realizacji obciążenia  założono jako jednakowe dla wszystkich belek w obu zestawach modeli. Elementy badawcze przyjęto wykonać z betonu zwykłego na kruszywie otoczakowym o wytrzymałości na ściskanie odpowiadającej klasie około B-25.

Modele do badań

Zestawy elementów badawczych w zależności od użytego typu stali zbrojeniowej oznaczono symbolami BI (stal SI) i BII (stal SII). W skład każdego zestawu badawczego wchodziły dwie monolitycznie wykonane belki (BI-1, BI-2 oraz BII-1, BII-2) o prostokątnym przekroju poprzecznym 0,4 x 0,2m i długości całkowitej 8,80m. Podparcie belek zrealizowano za pomocą trzech podpór w rozstawie osiowym równym 4,0 m (dwie podpory skrajne umieszczono symetrycznie względem podpory wewnętrznej zlokalizowanej w środku symetrii każdej belki) uzyskując w ten sposób ustrój ciągły - dwuprzęsłowy z dwoma 0,4 metrowymi wspornikami z każdej strony podpory skrajnej belki. Zbrojenie modeli składało się z prostych, podłużnych prętów zbrojeniowych średnicy φ12mm i strzemion średnicy φ10mm ze stali typu SI i SII. Rozciągane pręty podłużne kotwiono na końcach (w strefach ściskanych przekroju) przyczepnościowo lub za pomocą poprzecznie przyspawanych prętów średnicy φ12mm. W każdym z modeli zastosowano jednakowe procenty zbrojenia podłużnego wynoszące ρ1=0,46% w przęsłach (3φ12mm) i ρ2=0,31% (2φ12mm) nad podporą wewnętrzną. Zbrojenie poprzeczne stanowiły strzemiona prostopadłe do osi belki (wykonane z tego samego typu stali co zbrojenie podłużne) średnicy φ10mm. Podłużny rozstaw strzemion dobrano tak aby nie mogła nastąpić utrata nośności przekrojów przypodporowych ze względu na siły poprzeczne. Przy podporach skrajnych rozstaw był stały wynosił s1 = 0,1 m. Przy podporze wewnętrznej rozstaw zmieniał się od s1 = 0,1 m do s1 = 0,217 m. W ściskanych strefach przekrojów przęsłowych belek, w których dokonywano pomiaru odkształceń stali rozciąganej nie stosowano montażowego zbrojenia ściskanego. W przekroju nadpodporowym (na odcinku 80 cm) strzemiona stabilizowano na czas betonowania drutami średnicy φ5mm ze stali St0S umieszczonymi w osi obojętnej przekroju poprzecznego belki (20 cm od krawędzi poziomych przekroju poprzecznego). W środku rozpiętości przęseł na odcinku 80 cm nie stosowano podłużnego ani poprzecznego zbrojenia montażowego. Rysunek konstrukcyjny zbrojenia przedstawiono na rys. 2. Otulina wszystkich prętów zbrojenia podłużnego wynosiła cnom = 25 mm, a zbrojenia poprzecznego cnom = 15 mm i we wszystkich belkach była taka sama.

Rys. 2 Zbrojenie modeli badawczych

Stanowisko do badań

Modele badano w specjalnie do tego celu wykonanym stanowisku, którego zasadnicze elementy składowe stanowiły wyposażenie Katedry. Widok stanowiska badawczego przedstawiono na rys. 3, natomiast szczegółowe szkice na których pominięto podpory zabezpieczające przedstawiają rys. 4 i 5.

Rys. 3 Widok stanowiska badawczego

Stanowisko składało się z dwóch stalowych ram ustawionych poprzecznie do osi belki w rozstawie 2,25 m. Do rygli obu ram przymocowano poziomy stalowy rygiel długości 4,20 m wykonany z kształtownika walcowanego I550, który służył jako podpora dwóch siłowników hydraulicznych. Siłowniki hydrauliczne o zakresie 1000 kN każdy umieszczono w rozstawie co 4 m w ten sposób aby znajdowały się w osi przęseł modeli badawczych. Pionowe obciążenie przekazywano na siłomierze CT 25 o zakresie 250 kN, a następnie za pomocą stalowych rozdzielników obciążenia - trawersów w postaci 4 równych sił skupionych na element badawczy. Zastosowano dwupoziomowy układ trawersów – pierwszego i drugiego rzędu w każdym przęśle belki.Trawersy pierwszego rzędu, które rozdzielały obciążenie z siłownika na dwie równe części wykonano jako zespawane dwa dwuteowniki I 220 długości 2,20 m. Elementy te obciążały poprzez stalowe ruchome rolki trawersy drugiego rzędu, które oparte były na górnych powierzchniach belek, rozdzielając ostatecznie obciążenie pionowe na cztery równe siły skupione w każdym przęśle belki. Elementy te wykonano z zespawanych pasami dwóch dwuteowników HEB 100 o długości 0,9 m.

Rys. 4 Stanowisko badawcze widok A-A

Rys. 5 Stanowisko badawcze widok B-B

Siły skupione przekazywane bezpośrednio na modele badawcze przekazywano poprzez układ łożysk umieszczonych w ten sposób, aby w miejscach przewidywanych największych obrotów znajdowało się łożysko przegubowo przesuwne. Aby zapewnić bezpieczeństwo w trakcie badań i uchronić element przed upadkiem z podpór stanowiska, w dwóch miejscach każdego przęsła zastosowano podpory tymczasowe. Ponadto wszystkie stalowe elementy, poprzez które wywoływano obciążenie przymocowano wahliwie do poprzecznego rygla przymocowanego do poprzecznych ram.Model badawczy oparto na trzech podporach - dwóch skrajnych oznaczonych jako A i C oraz jednej wewnętrznej B (rys. 10 i 11). Podpory A i C zlokalizowano symetrycznie względem podpory B w odległości 4,0 m. Składały się z betonowego bloku o wymiarach 0,4 x 0,4 x 1,10 m na którym na warstwie zaprawy cementowej umieszczono stalowe płyty stanowiące oparcie dla siłomierzy lub śrub rektyfikacyjnych. Szczegóły podpór przedstawiono na rys. 6-8.

Podpory

Podporę skrajną A wykonano jako przegubowo przesuwną. Możliwość obrotu zapewniały przeguby sferyczne w które zaopatrzone były dwa siłomierze elektrooporowe CT 10 o zakresie 100 kN. Siłomierze umieszczono na stalowej płycie spoczywającej na dwóch stalowych rolkach zapewniających swobodny przesuw belki. Siłomierze pozwalały na ciągły pomiar reakcji.

Rys. 6 Schemat i widok podpory A

Podpora wewnętrzna B skonstruowana była w nieco inny sposób niż podpora skrajna A. Poprzez układ dwóch siłomierzy CT 25 o zakresie 250 kN zapewniony został obrót natomiast stalowe płyty podpierające uniemożliwiały poziomy przesów belki na podporze.

Rys. 7 Schemat i widok podpory B

Podpora skrajna C przegubowo - przesuwna zaopatrzona została w dwie śruby rektyfikacyjne z przegubowymi łbami. Śruby te oparto na stalowych płytach spoczywających na stalowych rolkach. Na podporze tej dokonywano rektyfikacji modelu badawczego po ustawieniu na stanowisku badawczym.

Rys. 8 Schemat i widok podpory C

Sposób obciążenia i pomiar sił

Przed przystąpieniem do zasadniczej części badań modele badawcze zważono za pomocą siłomierza pałąkowego przymocowanego przegubowo między specjalnym zawiesiem a hakiem suwnicy, określając ciężar własny każdej belki „G”. Schematyczny szkic pomiaru ciężaru belki przedstawiono na rys. 9. Następnie zważono stalowe elementy stanowiska ,,GL” i ,,GP”, które spoczywały w trakcje badań na modelach badawczych.

Rys. 9 Pomiar ciężaru własnego belki

W następnej kolejności modele badawcze umieszczono na podporach i rektyfikowano w podporze ,,C” tak aby uzyskać wartości reakcji bliskie wyznaczonym na drodze teoretycznej. Schemat statyczny modeli badawczych wraz z obciążeniami stałymi przedstawiono na rys. 10, a wartości obciążeń stałych oraz reakcji początkowych zmierzonych przed badaniami zasadniczymi przedstawiono (ciężar własny + elementy stalowe) zestawiono w tablicy 1.

Rys. 10 Obciążenia stałe

Tablica 1. Obciążenia stałe i początkowe obciążenia modeli badawczych

Nazwa
elementu
G
[kN]
GL
[kN]
GP
[kN]
RA
[kN]
RB
[kN]
cal

 

test

 

cal test cal test
BI-1 17,64 17,72 0,53 0,52 4,636 4,595 12,622 12,394
BI-2 17,64 17,64 4,622 4,378 12,577 12,563
BII-1 17,64 17,56 4,604 4,572 12,532 12,555
BII-2 17,64 17,64 4,622 4,548 12,577 12,667

 

W zasadniczej części badań modele badane były zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 11

 

Rys.11 Cykle obciążania modeli

Program badania wszystkich modeli obejmował 3 cykle obciążenia i odciążenia. W pierwszych dwóch cyklach zrealizowano obciążenie o wartości ok. 5% przewidywanego obciążenia niszczącego ok. 8 kN, kontrolując tym samym wskazania aparatury pomiarowej oraz dopasowując ruchome elementy stanowiska do pozycji wyjściowych. W cyklu trzecim - niszczącym modele obciążano każdorazowo monotonicznie do momentu gdy nie rejestrowano przyrostu siły na siłomierzach przy jednoczesnym przyroście ugięć przęseł belek.

Obciążenie zwiększano skokowo co 4 kN (na każdym siłomierzu), dokonując za pośrednictwem automatycznego stanowiska pomiarowego (ASP) rejestracji ugięć linii środkowej belek, naprężeń w zbrojeniu podłużnym, reakcji podporowych. Oprócz tego od momentu powstania pierwszych widocznych rys dokonywano pomiaru szerokości ich rozwarcia za pomocą lupy Brinell`a o dokładności 0,05 mm.

Pomiar ugięć

Ugięcia linii środkowej belek przy kolejnych poziomach siły obciążającej mierzono za pomocą 26 czujników (13 czujników z każdej strony modelu) indukcyjnych typu PJX 100 i PJX 50 o dokładności odczytu 0,002 mm i zakresie wskazań ±50 i ±25 mm. Czujniki o mniejszym zakresie (Nr 1,2,13,14,25,26) naklejono w osiach podpór w dolnych strefach belek. Natomiast czujniki pomiaru ugięć znajdowały się w miejscach przyłożenia sił skupionych, w osiach przęseł oraz w geometrycznych osiach podpór i naklejone zostały w odległości 20 cm od krawędzi poziomych belek. Bazą pomiarową dla czujników była stalowa konstrukcja oparta na nieodkształcalnych podporach stanowiska. Położenie czujników przedstawiono na rys. 16 i było identyczne we wszystkich modelach. Oprócz tego w trakcie badań dokonywano geodezyjnego pomiaru przemieszczeń podpór i środków rozpiętości przęseł.

Rys. 12 Widok przymocowanego czujników do pomiaru przemieszczeń pionowych

Ugięcia

Wynikiem ugięcia linii środkowej belek jest średnia z odczytów czujników umieszczonych na lewej i prawej stronie belki oraz wyniki pomiaru geodezyjnego prowadzonego podczas badań. Wyniki ugięć przy kilku wybranych - końcowych wartościach obciążenia modeli BI-1, BII-1 – przedstawiono na poniższych wykresach – rys. 13,14. Na wykresach pominięto ugięcie wstępne od obciążeń stałych. 

Rys. 13. Odkształcenia belki BI-1 (Stal typu SI)

Rys. 14. Odkształcenia belki BII-1 (Stal typu SII)

Ugięcia belek do momentu uplastycznienia się zbrojenia podporowego były zbliżone i wynosiły ok. 15 mm. Ze wzrostem obciążenia przęsłowego następowało zniszczenie belek serii BII – a maksymalne ugięcie przęseł wynosiło ok. 20 mm. W belkach serii BI z chwilą uplastycznienia się zbrojenia podporowego, a następnie przęsłowego następował znaczny przyrost ugięć przy stałej wartości sił obciążających. W momencie zniszczenia ugięcie środka przęsła wahało się w przedziale 42÷55 mm.

Zniszczenie

W zależności od zastosowanej stali zbrojeniowej zaobserwowano znaczne różnice w sposobie utraty nośności poszczególnych elementów badawczych. W przypadku belek BI-1 i BI-2 (stal SI) zaobserwowano powstanie trzech przegubów w pierwszej kolejności nad podporą wewnętrzną a następnie w przęsłach. Proces zniszczenia przebiegał w sposób łagodny obserwowano znaczne przyrosty ugięć przęseł belek przy stałym obciążeniu.

W przypadku belek BII-1 i BII-2 nie wystąpił przegub plastyczny nad podporą wewnętrzną występowało (z hałasem) za to gwałtowane zniszczenie modelu. Na rys. 15 przedstawiono obraz zarysowania belek BII-1 i BII-2 w przekrojach nadpodporowych.

Widok wszystkich belek po zniszczeniu przedstawiono na fotografiach rys. 16,17.

Rys. 16 Widok zniszczonej belki BI-1

Rys. 17 Widok zniszczonej belki BII-2

Poniżej film przedstawiający całość badania

 

14/11/2006

Realizacja: Platypus i Tako 

© Epstal 2024

 

NASZE PROFILE

Korzyści

Baza Wiedzy

Więcej

Stal Zbrojeniowa

Dane statystyczne