Badania wpływu zbrojenia umieszczanego w spoinach wspornych na nośność i odkształcalność murów ceglanych ścinanych poziomo

Seria: BU D O W N IC TW O z. 95 N r kol 1559

Radosław JA SIŃ SK I*

Politechnika Śląska

BADANIA W PŁY W U ZBR O JENIA UM IESZCZANEG O W SPO INACH WSPORNYCH NA NO ŚNO ŚĆ I O DK SZTAŁCALNO ŚĆ M URÓW CEGLANYCH ŚCINANYCH POZIOM O

Streszczenie. W referacie przedstaw iono w yniki badań na ścinanie poziom e dw óch serii murów: zbrojonych stalow ym i gładkim i prętami um ieszczonym i w spoinach w spornych.

Pręty stalow e (po 2) um ieszczano w co 6 (seria H C -ZPI) i w co 3 (seria H C -ZPII) spoinie wspomej uzyskując stopień zbrojenia odpow iednio p=0,05% i p=0,08% . Ścinanie poziom e przeprowadzano przy różnych poziom ach w stępnych naprężeń ściskających w przedziale 0-U ,5M Pa. P rzeanalizow ano w pływ zastosow anego zbrojenia na m echanizm zniszczenia, poziom naprężeń rysujących i niszczących oraz odkształcalność m urów zbrojonych. W yniki badań obu serii porów nano z rezultatam i badań m urów niezbrojonych serii H C („św iadków ”) wykonanych z tych sam ych m ateriałów i badanych w tych sam ych w arunkach.

RESEARCH ON INFLUENCE OF BED JOINTS REINFORCEMENT ON STRENGTH AND DEFORMABILITY OF CLAY BRICK MASONRY SHEARED HORIZONTALLY

Sum m ary. R esults o f investigations on horizontal shearing o f tw o series reinforced tests' specimens are presented in this paper. Steel bars (tw o bars per bed jo in t) w ere placed in every sixth (H C -ZPI series) and in three (series H C-ZPII) bed jo in t got reinforced ratio suitably p=0,05% and p=0,08% . M ain investigations w ere m ade fo r different level o f initial compressive stress in the range o f 0-H ,5 M Pa. The influence o f applied reinforcem ent on failure m echanism , level o f cracking and m axim al shear stress and deform ability-reinforced masonry w as analysed. R esults o f both reinforced m odels series w as com parised results o f unreinforced m odels H C series („w itness”) made from this sam e m aterials and researched in similar conditions.

* O piekun naukow y: Prof. d r hab. inż. W łodzim ierz Starosolski

252 R. Jasiński

1. W prowadzenie

Zagadnienia nośności i odkształcałności niezbrojonych konstrukcji m urow ych poddanych ścinaniu w kierunku rów noległym do spoin w spom ych są dość dobrze rozeznane pod w zględem dośw iadczalnym , a także teoretycznym . W niektórych pracach, np. [2,4]

rozpatryw ano szczegółow o mechanizm zniszczenia, odkształcałność oraz w ytrzym ałość muru ścinanego poziomo.

Z nacznie mniej udokum entow ane są prace teoretyczne i badaw cze dotyczące zbrojonych m urów ścinanych poziom o, a w ystępujące tam zjaw iska są znacznie bardziej złożone niż w przypadku m urów niezbrojonych. B adania m urów zbrojonych [1, 5] dotyczyły głównie m urów w ykonanych z drążonych elem entów m urow ych, w których zastosow ano mieszane (pionow e i poziom e) zbrojenie w postaci prętów. B rak badań krajow ych opisujących m echanizm zniszczenia, w ytrzym ałość na ścinanie oraz odkształcalność zbrojonych konstrukcji m urow ych ścinanych poziom o skłonił autora do prow adzenia prac w tym właśnie zakresie.

Zasadniczym celem w ykonanych badań była próba jakościow ego porów nania wpływu zastosow anego zbrojenia na niektóre istotne param etry m echaniczne m uru, takie jak m echanizm zniszczenia, w ytrzym ałość na ścinanie, m oduł odkształcenia postaciow ego oraz kąt odkształcenia postaciow ego w m om encie zarysow ania.

2. M odele badawcze i opis badań

B adania zasadnicze obejm ow ały dw ie serie m odeli zbrojonych i je d n ą serię modeli niezbrojonych o w ym iarach 1,68x1,42x0,25 m. K ażda seria składała się z 4 x2 elementów badaw czych. W szystkie m odele w ykonano z cegły pełnej (klasy 15) na zaprawie cem entow o : w apiennej (klasy M 5) 1:1:6 ( c e m e n t: w apno : piasek). M odele oznaczone jako HC - ZPI (por. ry s .l) posiadały zbrojenie w postaci gładkich prętów um ieszczonych w co 6 poziom ej spoinie w spom ej, natom iast w m odelach serii H C - ZPII zbrojenie w postaci prętów um ieszczono w co 3 spoinie. D o zbrojenia m odeli użyto prętów gładkich 4> 6m m wykonanych ze stali nierdzewnej znaku 1H 18N95T-1.4541. W przypadku m odeli serii H C -ZPI pręty um ieszczano (po 2) w co 6 spoinie wspornej co 450 mm (w trzech w arstw ach - p=0,05% ), w

modelach serii H C-ZPII pręty um ieszczono w co 3 spoinie (w pięciu w arstw ach - p=0,08% ).

Układ prętów zbrojeniow ych przedstaw iono na rys. 1.

Celem pom iaru odkształceń stali zbrojeniow ej na prętach w środkowej w arstw ie umieszczonych w połow ie w ysokości m odelu naklejono tensom etry foliow e w układzie przedstawionym na rys. 1. Aby zabezpieczyć pręty przed poślizgiem , w zapraw ie spoin zastosowano specjalny układ kotw iący składający się z obustronnie przyspaw anych płaskowników stalow ych do końców w szystkich prętów. Aby porów nać w pływ zastosowanego zbrojenia na analizow ane param etry m uru, w ykonano rów nież serię modeli oznaczonąjako H C o ty ch sam ych w ym iarach, lecz nie posiadających zbrojenia.

W ramach badań tow arzyszących zbadano 6 modeli oznaczonych ja k o „A ” będących standardowymi elem entam i do określania podstaw ow ych param etrów muru (w ytrzym ałości na ściskanie i m odułu sprężystości) w g zaleceń norm PN -E N 1052-1:2000 i PN -B - 03002:1999. R ezultaty badań tow arzyszących zapraw y (w g PN -85/B -04500), cegły (w g EN 772-1:1995), stali zbrojeniow ej (w g PN - EN 10002-1 + AC 1) i m uru przedstaw iono w tablicy 1.

Tablica 1 W yniki badań tow arzyszących ______________________

M ateriał f mv [MPa] Współczynnik zmienności Ecrn [M Pa]

Cegła 27,5 8,2 -

Zaprawa 6,42 14,66 -

M odele „A ” 8,99 20,7 3128

Stal ft [MPa] fy [MPa] ey E s [MPa]

809,50 720,40 33,00x10 '4 204000

Badania zasadnicze przeprow adzono w specjalnie do tego celu w ykonanym stanow isku badawczym, które szczegółow o opisano w pracy [3], pozw alającym na jed n o cz esn ą realizację obciążeń poziom ych i pionow ych.

Badania w ykonyw ane były w jednym cyklu aż do zniszczenia, stopniując siłę poziom ą co 10 kN w 5-m inutow ych przedziałach czasow ych. W trakcie badań dokonyw ano pom iaru przemieszczeń czujnikam i indukcyjnym i um ieszczonym i w specjalnym układzie ram kow ym o bazie pom iarow ej 600 mm (por. rys. 1) przym ocow anym po obu stronach m odelu oraz tensometrycznego pom iaru odkształceń prętów zbrojeniow ych. Program badań w szystkich serii modeli obejm ow ał przeprow adzenie ścinania przy różnych poziom ach naprężeń ściskających (ctc) w ynoszących 0; 0,5; 1,0; 1,5 M Pa

254 R. Jasiński

Zbroienie modeii serii HC-ZPI

i

Zbroienie m odeli serii HC-ZP11

R ys.l. Modele badawcze HC, HC-ZPI (p=0,05%) i HC-ZPII (p=0,08%) - rozmieszczenie zbrojenia Fig. ł . Test specimens: HC, HC-ZPI and HC-ZPII series - place o f reinforcement

Ramkowy układ pomiarowy m ocowany dwustronnie

3. W yniki badań

3.1. M echanizm zniszczenia

Podobnie ja k w przypadku m urów niezbrojonych, opisanych w [2 ,3 ], mechanizm zniszczenia uzależniony był od poziom u w stępnych naprężeń ściskających. Zdecydowanie najprostszym m echanizm em charakteryzow ały się m odele serii H C - Z PI-00 i H C - ZPII - 00 (o c = 0 M P a ) objaw iającym się utratą przyczepności pom iędzy zapraw ą a cegłą i w ydzieleniem się dwóch niezarysow anych brył muru. W raz ze w zrostem poziom u wstępnych naprężeń ściskających charakter zniszczenia ulegał znacznej zm ianie. R ysy przebiegały ukośnie nie tylko przez w arstw y zaprawy, ale rów nież przez elem enty m urow e zgodnie z kierunkam i głów nych naprężeń rozciągających. Taki układ zarysow ań zaobserwowano rów nież dla poziom u w stępnych naprężeń ściskających - 0,5 M Pa. Przy większych w artościach naprężeń ściskających, rzędu 1,0 i 1,5 M Pa, obserw ow ano co najm niej kilka rys, szczególnie w obszarze środkowym muru. W przypadku m urów zbrojonych serii H C - ZPI - 15 (o c= 1,5 M P a) rysy ukośne biegły rów nolegle do siebie, zachow ując stały dystans wzdłuż

całej przekątnej m odelu badaw czego, podobne rezultaty uzyskano w badaniach [1, 5].

Odmienny obraz zarysow ań zaobserw ow ano w analogicznych m odelach serii H C - Z P II - 15 (oc= 1,5 M Pa), rysy ukośne nie biegły do siebie rów nolegle, ale w ystępow ały w znacznym zagęszczeniu w zdłuż przekątnej. W m om encie zniszczenia w ystępow ało dość silne zarysowanie, a naw et zm iażdżenie m uru w m iejscach lokalnych docisków . O brazy zarysowania w stadium zniszczenia m odeli badaw czych serii H C - Z P I i H C - Z P II dla wybranych poziom ów w stępnych naprężeń ściskających przedstaw iono w tablicy 2.

Z estaw ienie obrazów zarysow ań

T ablica 2

gJM Pal HC - ZPI HC - ZPII

UUUUUWWUUUMrłW ,

...

1,5

ST

R, ^—

ttfttttmtmmtmttmt „

-p, \ 5l

Pv - pionowe reakcje wywołane obciążeniem poziomym (x) utrzymujące model w równowadze

3.2. Naprężenia rysujące i niszczące

Wpływ zastosow anego zbrojenia w sposób znaczący podniósł poziom naprężeń i cr obs, przy których obserw ow ano rysy o rozw artości 0,1 mm. N aprężenia rysujące t cr 0(,s m urów ze zbrojeniem w trzech spoinach (p= 0,05% ) były o ok. 10% w iększe w stosunku do analogicznych m odeli serii niezbrojonych (H C ) (por. rys. 2a). T aką tendencję zaobserw ow ano w całym przedziale naprężeń ściskających. P odobną zależność prezentują mury zbrojone w sześciu spoinach serii H C-ZPH , chociaż liczba m odeli była niew ielka. N a rysunku 2a przedstawiono uzyskane rezultaty badań w postaci zależności xcr 0j,s - a c . U zyskane relacje były nieliniow e zarów no dla m urów niezbrojonych, ja k i zbrojonych.

256 R. Jasiński

Zastosow ane zbrojenie w płynęło rów nież na w artość naprężeń niszczących xu obs. Dało się to zauw ażyć szczególnie w przypadku modeli serii H C-ZPI, w zrost w artości xu obs (ok.30% ) był w yraźny dla naprężeń ściskających 0,0^1,0 M Pa, a w przypadku murów m aksym alnie ściskanych (o c =1,5 M Pa) odpow iednio ok. 10% (por. rys. 2b). Podobną zależność stw ierdzono w przypadku modeli H C - ZPII. W zrost w artości xu obs był istotny w tym samym przedziale naprężeń ściskających, a niższe w artości xu obs uzyskano w przypadku m odeli m aksym alnie ściskanych ( a c =1,5 M Pa). N a rysunku 2b zilustrowano w yniki badań w funkcji poziom u w stępnych naprężeń ściskających a c. W stadium zniszczenia zależność t u obs - o c była zbliżona do liniow ej dla m urów niezbrojonych i nieliniow a dla zbrojonych obu serii. U zyskane rezultaty badań w postaci naprężeń stycznych przy zarysow aniu t cr obs i zniszczeniu xu obs przedstaw iono w tablicy 3.

W tablicy 3 przedstaw iono zależności xcr obs / x u obs będące zdolnością muru do przejm ow ania obciążeń po zarysow aniu aż do m om entu zniszczenia. W pływ zastosowanego zbrojenia w m odelach serii H C -ZPI pow odow ał w zrost nośności m uru po zarysowaniu.

W zrost ten zm ieniał się od ok. 25% w przypadku m urów tylko ścinanych do ok. 30%, kiedy o c = 1,5 M Pa. W m urach zbrojonych w co trzeciej spoinie serii H C -Z P Il w zrost nośności po zarysow aniu w ahał się w granicach od ok. 10% do 30%. W przypadku m urów niezbrojonych w zrost ten zm ieniał się odpow iednio w granicach od ok. 10% do ok. 30%.

Z przedstaw ionych zależności w ynika, że w pływ zastosow anego zbrojenia miał najm niejszy w pływ przy najw yższym poziom ie naprężeń ściskających rzędu 1,5 MPa, a najw iększy w przypadku m urów w yłącznie ścinanych, (bez dodatkow ego udziału naprężeń ściskających ctc).

Tablica 3 Zestaw ienie rezultatów badań zasadniczych_______________________

Seria

Model ^<*c

[MPa]

Tc r,o b s [MPa]

® c r ,o b s [m iliradian]

G obs [M Pa]

^ u ,o b s [M Pa]

x cr,o b s

Tu ,o b s

HC (niezbrojone)

HC-00/1 0,0 0,310 0,597 519,350 0,356 0,871

HC-00/2 0,0 0,383 0,791 484,479 0,429 0,893

HC-00/3 0,0 0,336 0,818 410,709 0,379 0,887

HC-05/1 0,5 0,672 0,934 719,130 0,763 0,881

HC-05/2 0,5 0,696 1,108 628,130 0,861 0,808

HC-10/1 1,0 0.882 1,060 832,390 1,047 0,842

HC-10/2 1,0 0,903 1,023 882.917 1,078 0,838

HC-15/2 1,5 0,935 1,218 767,400 1,327 0,705

HC-15/3 1,5 0,927 1,304 710,887 1,277 0,726

cd. tablicy 3

HC-ZPI zbrojone p=0,05%

HC-ZPI-00/1 0,0 0,385 0,400 963,700 0,469 0.821

HC-ZPI-00/2 0,0 0,433 0,408 1061,941 0,551 0,786

HC-ZPI-00/3 0,0 0,508 0,312 1629,757 0,672 0,756

HC-ZPI-05/1 0,5 0,813 0,910 893,662 1,090 0,746

HC-ZPI-05/2 0,5 0,737 0,722 1020,209 1,041 0,708

H C-ZPI-10/1

_

.

HC-ZPI-10/2 1,0 0,977 1,118 873,611 1,251 0,781

HC-ZPI-15/1 1,5 0,954 1,158 823,587 1,511 0,631

HC-ZPI-15/2

__

HC-ZPI-15/3 1,5 1,052 1,091 964,648 1,379 0,763

HC-ZPII zbrojone p=0,08%

HC-ZPI-00/1 0,0 0,384 0,289 1327,29 0,430 0,893

HC-ZPI-00/2 0,0 0,453 0,394 1149,207 0,480 0,943

HC-ZPI-05/1 0,5 0,810 0,823 984,731 1,163 0,696

HC-ZPI-10/1 1,0 0,999 0,985 1014,296 1,38 0,724

H C-ZPI-15/1 1,5 0,929 1,326 700,408 1,349 0,689

a) b)

Rys. 2. Wyniki badań zasadniczych: a) zależności xcr 0(,s - o c , b) zależności Tu 0(,s - o c Fig. 2. Main investigations results a) relationships Xc r 0j,s - c c , b) relationships Tu 0(,s - CTC

3.3. Odkształcalność

Na rysunku 3 a^d przedstaw iono przebiegi zależności xvj 0bs - ©i uzyskane z badań wszystkich serii modeli zarów no niezbrojonych, ja k i zbrojonych. Zależności naprężenie - kąt odkształcenia postaciow ego były niem alże liniow e do m om entu zarysow ania. P o zarysow aniu obserwowano znaczną różnicę w zachow aniu się m odeli zbrojonych w stosunku do m urów niezbrojonych. W niezbrojonych m urach po zarysow aniu następow ał „poślizg” (poziom a linia na w ykresach), a następnie w zm ocnienie i zniszczenie. C harakterystyczne było, że długość „linii” była, ja k się w ydaje, odw rotnie proporcjonalna do poziom u w stępnych naprężeń ściskających. W przypadku m odeli zbrojonych serii HC-ZPT i H C -ZPII po zarysowaniu następow ał znaczny w zrost w artości kąta odkształcenia postaciow ego (©¡) w funkcji poziom u naprężeń stycznych ( x Vi,0b s )- N ie zaobserw ow ano w tym przypadku zjaw iska

258 R. Jasiński

charakterystycznego dla m odeli niezbrojonych, czyli w zrostu odkształceń postaciow ych przy stałych naprężeniach stycznych w m om encie zarysow ania. Z ależność zm ieniła charakter z niem alże w prost proporcjonalnej na nieliniow ą. Aż do m om entu zniszczenia modele ze zbrojeniem serii H C -ZPI charakteryzow ały się znacznie w ięk szą odkształcalnością niż niezbrojone, ale tylko w przypadku m urów jednocześnie ściskanych i ścinanych. Wyraźne odm ienności w przebiegu ( x vj 0(jS - © ; ) zaobserw ow ano w przypadku m odeli tylko ścinanych (por. rys. 3a). N ajw iększą odkształcalność w tym przypadku reprezentują mury serii HC (niezbrojone).

a) b)

0 [mrad ■ mm/m]

0 [mrad “ mm/m]

0 [m rad * mm/m ]

d)

0 [m rad « m m /m ]

Rys. 3. Zależność Vobs-© , wszystkich serii modeli badawczych a) a c=0,0 MPa, b) a c=0,5 MPa, c) a c= l,0 MPa, d) a c= l,5 MPa

Fig. 3. Relationships o f Tvu bs-©j for all series o f test specimens a) a c=0,0 MPa, b) ctc=0,5 MPa, c) crc= l,0 MPa, d) ctc= 1,5 MPa

a) b)

Rys.4. Wyniki badań odksztalcalności: a) wartości kąta odkształcenia postaciowego w momencie zarysowania 0 cr 0(,s , b) zależności G0bs

Fig.4. Results o f deformability investigations - in a„ function a) value o f strain angle in cracking moment © cr 0[,s , b) relationships G0bs

W m om encie zarysow ania w yznaczono rów nież w artości © Cr,obs oraz zależność G0bs = xcr obs /® c r 0bs . które zaprezentow ano w tablicy 3. N a rys. 4 a,b uzyskane rezultaty przedstawiono w funkcji w stępnych naprężeń ściskających - cre. K ąt odkształcenia postaciowego w m om encie zarysow ania był tym w iększy, im w iększy był poziom o c zarów no w przypadku m urów zbrojonych, ja k i niezbrojonych. Jednakże w iększą odkształcalnością charakteryzowały się m ury niezbrojone w niem alże całym przedziale o c. Z e w zrostem poziomu ctc do w artości m aksym alnej ( o c =1,5 M Pa) odkształcalność m odeli w szystkich serii była zbliżona (rys. 4a). Z ależność G 0t,s w przypadku m urów niezbrojonych rosła ze wzrostem naprężeń ściskających (rys. 4b), p odobną zależność uzyskano w badaniach [5], Zupełnie odm ienną relację prezentow ały mury zbrojone serii H C - Z P I i H C - Z P I I , w przypadku których m oduł odkształcenia postaciow ego ( G 0t,s ) m alał ze w zrostem p oziom uac. Przy m aksym alnych w artościach naprężeń ściskających a c= l ,5 M P a w artości

G0bs m urów zbrojonych i niezbrojonych były zbliżone.

4. Podsum owanie i wnioski

Analizując uzyskane rezultaty badań m urów niezbrojonych i zbrojonych, nie m ożna wyciągać daleko idących w niosków , szczególnie w przypadku w stępnych badań m urów serii HC - ZPII, gdyż liczba modeli b y ła niewielka. M ożna jednakże dokonać oceny rezultatów badań modeli serii H C (niezbrojonych) i H C -ZPI (zbrojonych w co 6 spoinie w spornej). Po analizie przedstaw ionych rezultatów badań nasuw ają się następujące w nioski:

260 R. Jasiński

□ potw ierdzono w pływ poziom u w stępnych naprężeń ściskających na mechanizm zniszczenia m urów niezbrojonych [2, 4] oraz zbrojonych [1, 5],

□ w prow adzenie zbrojenia podniosło poziom naprężeń rysujących Tcr o(,s o ok. 10 % w odniesieniu do modeli niezbrojonych w całym przedziale naprężeń ściskających c c,

□ zastosow ane zbrojenie zw iększyło w artość naprężeń niszczących t u obs w porównaniu z muram i niezbrojonym i o ok. 30% dla a c= 0,0+1,0 M Pa i ok. 10% a c= l,5 M Pa,

□ mury zbrojone w m om encie zarysow ania w ykazały znacznie m niejszą odkształcalność postaciow ą © cr 0bs niż mury niezbrojone o ok. 50%, szczególnie dla o c= 0 ,0 M P a i ok. 10% przy w yższych poziom ach naprężeń ściskających ctc,

□ m oduł odkształcenia postaciow ego G obs m urów zbrojonych m alał w raz ze wzrostem naprężeń ściskających, odm ienną zależnością charakteryzow ały się natom iast mury niezbrojone, w przypadku których zaobserw ow ano tendencję w zrostową.

LITER A TU R A

1. B runner J.D ., Shing P. B.: Shear strength o f reinforced m asonry w alls. T he Masonry Society Journal. Vol. 14, N o 1, A ugust 1996 str. 65-77.

2. D ialer Ch., Some rem akes on the strength and deform ation behaviour on shear stressed m asonry panels under static m onotonic loading. Proc. o f 9th International Brick/Block M asonry C onference Berlin 1991. Vol. 1 str. 276-283.

3. Jasiński R.: B adania m urów ceglanych ścinanych poziom o zbrojonych stalow ym i gładkimi prętami. II Konf. N aukow a D oktorantów W ydz. B udow nictw a - W isła 11. 2001 r., str.

155-164.

4. M üller H.: U ntersuchungen zum Tragverhalten von querkraftbeanspruchtem Mauerwerk.

D issertation.Technischen H ochschule D arm stadt 1974.

5. Shing P. B., Schuller M ., H oskere V. S., C arter E.: Flexural and shear response of reinforced masonry walls. A CI J o u r n a l, vol. 87 N o. 6 Nov. - Dec. 1990 str.646-656.

Recenzent: Prof. dr inż. B ohdan Lewicki A bstract

The influence o f bed jo in t reinforcem ent on behaviour and m ain m echanical properties of horizontally sheared masonry w as analysed. A m ong others, the influence o f such reinforcem ent on increasing o f cracking x^st and ultim ate t1" 1 stress w as confirm ed. The reinforcem ent m asonry specim ens w ere characterised by m ore significant deformability (represented by ©J.crs l) than unreinforced for all com pressive stress level o c. For a , - G tcst relationships a quite different tendencies w ere observed. Shear m odulus value grow th was corresponding w ith increasing o f a c level (except c c= 1,5 M Pa) for unreinforced m asonry, but for reinforced specim ens the situations w as quite inverted. It should be necessary to carry out m ore tests for reinforced m odels HC - ZPII series.