PRZY UŻYCIU NAPRĘŻONYCH TAŚM CFRP
4. ANALIZA WYNIKÓW PRZEPROWADZONYCH BADAŃ
0 1200 2400 3600 4800 6000
P4
0 1200 2400 3600 4800 6000
P6
Rys. 5. Odkształcenia taśmy CFRP przy kolejnych poziomach obciążenia belek: a) P4 i b) P6
Niezależnie od zastosowanego sposobu zakotwienia taśm, stopnia ich odkształcenia podczas naprężenia i obciążenia elementu w chwili wzmacniania, zniszczenie rozpoczynało się w chwili, gdy przyrost odkształceń w taśmie osiągał wartość od 5 do 7‰. Obserwacje potwierdzają wyniki badań elementów wzmacnianych w bierny sposób, w których do odspojenia kompozytu dochodzi przy porównywalnych odkształceniach taśmy [1, 2].
4. ANALIZA WYNIKÓW PRZEPROWADZONYCH BADAŃ
Zestawienie odkształceń i odpowiadających im naprężeń w taśmach w chwili ich przyklejania do powierzchni betonu zamieszczono w tablicy 1. Stopień wzmocnienia belek wyrażony został stosunkiem obciążenia niszczącego elementu wzmocnionego i obliczeniowej nośności elementu niewzmocnionego 2Fu/2Fu0. Nośność belki niewzmocnionej określono na podstawie obliczeniowej analizy odkształceń i nośności zginanych elementów żelbetowych, w której zastosowano model nieliniowej analizy żelbetowych elementów prętowych według prof. Kamińskiej i Czkwianianca [5]. Model uwzględnia naprężenia normalne oraz przyjmuje nieliniową zależność σ-ε dla betonu strefy ściskanej, doświadczalne zależności σ-ε dla stali zbrojeniowej, zasadę tension stiffening, założenie, że rysy prostopadłe do osi pręta są rozmyte na jego długości oraz zasadę zachowania płaskiego przekroju. Obliczeniowa nośność przekroju jest wyznaczona z warunków równowagi sił i momentów w przekroju, dla kolejnych stanów odkształcenia przekroju, przy którym zostają osiągnięte graniczne odkształcenia któregoś
z materiałów: betonu εcu=3,5‰ lub stali εsu. W analizowanych w pracy badaniach o nośności przekroju niewzmocnionego decyduje osiągnięcie granicznych odkształceń betonu w strefie ściskanej. Opisany model obliczeniowy stosowano wielokrotnie już wcześniej do obliczeniowej weryfikacji badań żelbetowych belek niewzmocnionych i wzmocnionych taśmami CFRP [1, 2], uzyskując bardzo dobrą zgodność wyników obliczeniowych i doświadczalnych. Taka zgodność wyników skłoniła autorów do analizy porównawczej nośności doświadczalnych belek wzmocnionych taśmami CFRP i obliczeniowych belek niewzmocnionych. Na rysunku 6 zamieszczono doświadczalne i obliczeniowe zależności 2F–εt,aver (obciążenie – średnie odkształcenie betonu w poziomie zbrojenia rozciąganego) pomierzone w elementach wzmocnionych przy użyciu czujników indukcyjnych położonych w obszarze czystego zginania belki oraz obliczone na podstawie opisanego w pracy modelu obliczeniowego w belkach niewzmocnionych.
Stopień wzmocnienia belek wahał się od 1,73 w belce P6 (wzmocnionej pod wstępnym obciążeniem 0,76Fu0 przy naprężeniu taśmy εfp=4,40‰) do 2,19 w belce P3 (wzmocnionej pod ciężarem własnym odpowiadającym obciążeniu 0,25Fu0 i naprężeniu taśmy εfp=5,20‰).
Wpływ wstępnego naprężenia taśmy na nośność wzmocnionych elementów i wolniejszy przyrost odkształceń można łatwo zauważyć porównując wykresy uśrednionych odkształceń betonu w poziomie zbrojenia rozciąganego, w funkcji obciążenia (rys. 6).
Kąt pochylenia wykresów 2F–εt,aver belek P5 i P6 z nieprzyklejoną taśmą CFRP było większe niż belek wzmocnionych tą samą taśmą, ale przyklejoną do spodniej powierzchni.
Przemieszczenia pionowe belki P4, wzmocnionej pod obciążeniem odpowiadającym aż 76%
nośności elementu nie wzmocnionego, taśmą naprężoną do poziomu 4,75‰, były przed uplastycznieniem zbrojenia zaledwie o 15% większe niż przemieszczenia pozostałych belek (P3, P7, rys. 7), wzmocnionych pod ciężarem własnym. Dopiero po uplastycznieniu zbrojenia zwykłego te różnice są znacznie większe. Podobny efekt można zaobserwować z porównania dwóch belek (P5, P6, rys. 7) wzmocnionych nieprzyklejonymi taśmami.
Porównując natomiast ugięcie belek wzmocnionych z zastosowaniem kleju i bez wpływu przyczepności, różnica widoczna jest dopiero po uplastycznieniu zbrojenia stalowego. Ugięcie wszystkich belek do chwili uplastycznienia zbrojenia przy porównywalnych poziomach obciążenia rosło w porównywalny sposób, niezależnie od obecności kleju jak i poziomu obciążenia elementu w chwili wzmacniania. Po uplastycznieniu zbrojenia odkształcenia belek P5 i P6 wzmocnionych nieprzyklejoną taśmą kotwioną na końcach, przy porównywalnych
Odkształcenie / Strain, t,aver (‰)
Siła / Load, 2F
Odkształcenie / Strain, t,aver (‰)
Siła / Load, 2F (kN)
P5 (test)
P6 (test)
P6 (cal.)
P5 (cal.)
Rys. 6. Wykresy odkształceń w poziomie dolnego zbrojenia w betonie
Doświadczalne badania żelbetowych belek wzmocnionych na zginanie przy użyciu … 137
0 10 20 30 40 50 60
0 50 100 150 200 250
P3 P4 P5 P6 P7
Siła / Load, 2F (kN)
Przemieszczenie pionowe / Vertical displacement, v (mm)
Rys. 7. Wykres przemieszczeń pionowych środka belki
Wyniki badań potwierdzają, że wzmocnienie czynne w belkach P4 i P6 spowodowało zmniejszenie ugięć elementów uzyskanych podczas ich wstępnego obciążenia. Wykresy ugięć potwierdzają opinię o znaczącym wpływie stopnia naprężenia taśmy CFRP na kąt pochylenia wykresu 2F–εt,aver wzmacnianego elementu, (a tym samym łagodniejszy przyrost przemieszczeń pionowych), co wyraźnie widać z porównania wykresów belki P3 i P4, wzmocnionych czynnie przy odkształceniach taśmy odpowiednio 5,2‰ i 4,75‰ (rys. 6).
Badania wykazały, że nawet bardzo wysoki poziom wstępnego obciążenia belki odpowiadający 0,76Fu0 nie wpłynął negatywnie na pochylenie wykresu 2F–εt,aver (a tym samym przyrost przemieszczeń pionowych) przed i po uplastycznieniu zbrojenia głównego. Tak duże wstępne obciążenie elementu przed wzmocnieniem skutkuje jedynie nieznacznie niższą nośnością belek, niezależnie od obecności kleju. Nachylenie odpowiednich wykresów ugięcie-obciążenie analizowanych belek jest zbliżone zarówno w zakresie od wzmocnienia (po wstępnym obciążeniu) do uplastycznienia zbrojenia zwykłego, jak i po jego uplastycznieniu aż do zniszczenia. Obserwacje te potwierdzają opinię o dużej efektywności wzmocnienia czynnego. Mimo bardzo wysokiego stopnia obciążenia belki, który przekracza stan graniczny użytkowalności tego elementu, a przy uwzględnieniu współczynników bezpieczeństwa jest bliski stanowi granicznemu nośności, aplikacja wzmocnienia pozwoliła znacząco zmniejszyć powstałe odkształcenia i przemieszczenia oraz zmniejszyć kąt pochylenia wykresu 2F–εt,aver, do poziomu porównywalnego z belkami wzmocnionymi pod ciężarem własnym. W belce P3, którą charakteryzował najwyższy stopień wzmocnienia (2Fu / 2Fu0 = 2,19), w chwili zniszczenia elementu odkształcenia taśmy osiągnęły wartość odpowiadającą 0,82εf,u.
5. WNIOSKI KOŃCOWE
Na podstawie analizy wyników badań belek wzmocnionych na zginanie przy użyciu wstępnie naprężonych kompozytów można wysunąć następujące wnioski:
1) Badania wykazały wysoką efektywność wzmocnienia żelbetowych belek wzmocnionych czynnie w zakresie od 1,7 do 2,2 nośności elementu niewzmocnionego.
2) Na ogół powodem zniszczenia wzmocnionych belek była utrata przyczepności między kompozytem i betonem postępująca od środkowej części elementu w kierunku podpór zakończona ostatecznie wysunięciem taśmy z zakotwienia.
3) Wzmacnianie zginanych elementów żelbetowych przy użyciu naprężonych taśm kompozytowych typu CFRP jest bardzo skuteczne zarówno w stanie granicznym nośności, jak i użytkowalności, zwłaszcza gdy elementy wzmacniane są silnie obciążone przed wzmocnieniem. Możliwe jest znaczące ograniczenie odkształceń i ugięć wzmacnianego elementu.
4) Badania wykazały istotny wpływ przyczepności taśmy do betonu na odkształcalność belek po uplastycznieniu zbrojenia głównego. Belki wzmocnione nieprzyklejoną taśmą wykazały mniejszą sztywność po uplastycznieniu zbrojenia podłużnego oraz mniejszą nośność niż belki wzmocnione taśmą przyklejoną do powierzchni betonu.
Wzmacnianie elementów zginanych przy użyciu naprężonych taśm CFRP wymaga dalszych badań doświadczalnych, w celu określenia wpływu: stopnia istniejącego zbrojenia zwykłego, stopnia zbrojenia kompozytowego, parametrów wytrzymałościowych stali, betonu i taśm na maksymalne odkształcenia kompozytu w chwili zniszczenia belki.
Przedstawione w opracowaniu badania stanowią część szerszego programu badawczego finansowanego z projektu unijnego „Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju”.
Piśmiennictwo
[1] Kamińska M. E., Kotynia R.: Doświadczalne badania żelbetowych belek wzmocnionych taśmami CFRP, „Badania doświadczalne elementów i konstrukcji betonowych”, Z. 9, Wyd. Kat. Bud. Bet. PŁ, Łódź 2000.
[2] Kotynia R., Kamińska M. E.: Odkształcalność i sposób zniszczenia żelbetowych belek wzmocnionych na zginanie materiałami CFRP, „Badania doświadczalne elementów i konstrukcji betonowych”, Z. 13, Wyd. Kat. Bud. Bet. PŁ, Łódź 2003.
[3] Trintafillou T. C., Deskovic N., Deuring M.: Strengtheningof concrete structures with prestressed fiber reinforced sheets, “ACI Structures Journal” 1992, nr 89(3), s. 235–244.
[4] Kotynia R., Walendziak R., Stoecklin I., Meier U.: RC Slabs Strengthened with Prestressed and Gradually Anchored CFRP Strips under Monotonic and Cycling Loading, “Journal of composites for constructions” 2011, Nr 4-5.
[5] Czkwianianc A., Kamińska M. E.: Metoda nieliniowej analizy żelbetowych elementów prętowych. KILiW PAN IPPT, Studia z Zakr. Inżynierii nr 36, W-wa 1993.
TESTS ON REINFORCED CONCRETE BEAMS STRENGTHENED IN FLEXURE