Siły w zbrojeniu pionowym w dwupoziomowym połączeniu zbrojenia na zakład. Cz. I - Wyniki badań

K rzysztof G R O M Y SZ

SIŁY W ZBROJENIU PIONOWYM W DWUPOZIOMOWYM POŁĄCZENIU ZBROJENIA NA ZAKŁAD. CZĘŚĆ I -W Y N IK I BADAŃ

S tre szc ze n ie . W referacie przedstaw iono sposób badania oraz w yniki uzyskane po prze­

badaniu sześciu dw upoziom ow ych połączeń zbrojenia na zakład.

Badane zagadnienie je s t istotne zarówno z poznaw czego, ja k i utylitarnego punktu w idze­

nia. D w upoziom ow e połączenia zbrojenia na zakład w ystępują m iędzy innym i w połącze­

niach poprzecznych zespolonych stropów deskow ych pracujących dw ukierunkow o oraz praktycznie w e w szystkich łączonych na zakład siatkach zbrojeniow ych.

FORCE IN VERTICAL REINFORCEMENT IN TWO - LAYER LAP SPLICES. PART ONE - TEST RESULTS

S u m m a ry . The paper presents tests perform ed on a tw o layer lap splices. Presented prob­

lem is im portant because o f theoretical and practical point o f view. Tw o layer lap splices ap­

pear in com bined slab flours loaded w ith tw o w ay bending m om ent as w ell as in all lapped reinforcing fabric.

1. Zagadnienie badawcze

W dw upoziom ow ych połączeniach zbrojenia na zakład, w odróżnieniu od połączeń trady­

cyjnych, łączone pręty zbrojeniow e nie znajdują się w jed n y m poziom ie, lecz s ą oddalone od siebie w pionie. T ego ty p u połączenie w ystępuje na przykład w dw ukierunkow o pracujących zespolonych stropach deskow ych oraz praktycznie w e w szystkich łączonych na zakład siat­

kach zbrojeniow ych. Przeprow adzone w K atedrze K onstrukcji B udow lanych badania zespo­

lonych stropów deskow ych typu 2k w skazują na bardzo istotną rolę zbrojenia pionow ego w tego typu połączeniach. W [1] w ykazano, Ze jego obecność w pływ a na w zrost nośności połą­

czenia. W zrost ten oszacow ano na 76 %.

2. Badania doświadczalne

B adania zasadnicze przeprow adzono na m onolitycznych elem entach belkow ych o prze­

kroju (bxh) 200x174 m m i długości 2.0 m obciążonych zew nętrznym m om entem zginającym .

44 K. G rom ysz

Łączonym na zakład zbrojeniem , górnym i dolnym , były pręty ze stali 34GS, a zbrojenie pio­

now e stanow iły śruby M l 2 (rys. 1).

1 - p o m iar r t y w górnym łg a a rry m n a zaklod zbrojtnlu - Ng 2 - po m iar w zbrajanlu pionowym - N»t

3 - m om an ł zglnajqcy potgczanla - M 4 - p om iar rozw artości poziom ej - Cert!

m ocowani« zbrojenie n a gftmaj pewforzehnl « U n ifrłu

R y s .l. E lem ent badaw czy, m ierzone w ielkości Fig. 1. T ested elem ent, m easured values

m ocow o n h zbrojenia n o dołnaj powfarzctinT «łamaniu

. t

i * xbroloni« ooztom«

i

w \

■ , bloeho flr. 2 0 mm __ W B W IW t7 t3 «It.

słtom lcrz

Zestaw ienie elem entów badaw czych, różniących się zm ienną pionow ą odległością między łączonym i na zakład prętam i - param etr a - zam ieszczono w tablicy 1. W trakcie badań m ie­

rzono m iędzy innym i: siłę w zbrojeniu pionow ym (Nst), siłę w górnym łączonym na zakład zbrojeniu (N g), oraz rozw artość rysy (poziom e zarysowanie) w ydzielającej się po długości górnego łączonego na zakład zbrojenia (ccriH). Elem ent badaw czy oraz oprzyrządow anie po­

m iarow e stosow ane w elem entach przedstaw iono na rys. 1. Pom iar siły w zbrojeniu piono­

w ym w ykonyw ano za po m o cą specjalnie do tego celu skonstruow anych siłom ierzy. Przez siłom ierze (por. rys. 1) przeprow adzono śruby stanow iące zbrojenie pionowe. Siły w ystępują­

ce w zbrojeniu pionow ym były przekazyw ane n a do ln ą i g órną pow ierzchnię elem entu za pom ocą podkładek osadzonych na podlew ce z zaprawy gipsow ej. C elem w yelim inow ania

ew entualnych nieszczelności podlew ki oraz zachow ania w e w szystkich elem entach tych sa­

m ych w arunków badania w każdym pręcie pionow ym w yw ołano w stępnie sprężenie w yno­

szące 0.5 kN. P om iar siły w górnym łączonym na zakład zbrojeniu w środku rozpiętości ele­

m entu w ykonyw ano pośrednio, przez pom iar odkształceń pręta. O dkształcenia m ierzono za pom ocą dw óch przeciw ległe naklejonych na pow ierzchni pręta tensom etrów elektrooporo- w ych o długości bazy 0.6 m m . W m iejscu pom iaru odkształceń pręty zbrojeniow e były spro­

w adzone przez toczenie do średnicy 14 m m 60.01 mm. W artość odkształceń pręta w ystępują­

cą w je g o osi otrzym yw ano ja k o średnią arytm etyczną z dw óch tensom etrów . M oduł spręży­

stości stali łączonego na zakład zbrojenia w yznaczono w trakcie badań uzupełniających.

Tablica 1 Z estaw ienie elem entów badaw czych

l.p. Rodzaj elementu o z n a ­

czenie [cm ] a [cm ]

0

[mm] [m m]

2xlb [cm ]

d g ( d )

[cm ]

F0 zg ps F2 zg ps F3 zg ps F4 zg ps F5 zg ps F6 zg ps

16 16 16 16 16 16

12 12 12 12 12 12

48 48 48 48 48 48

14.4 10.8 9.8 8.8 7.8 6.8

Schem at stanow iska badaw czego w trakcie m ontażu przedstaw iono na rys. 2.

W stanow isku tym zew nętrzny m om ent zginający przekazyw any był, za p o m o cą stalowych ram ion, bezpośrednio n a badany elem ent. Taki sposób przekazyw ania obciążenia pozw olił na:

znaczne zm niejszenie gabarytów elem entów badaw czych oraz w yelim inow anie sił tnących na długości elem entu. O prócz oczyw istych oszczędności m ateriałow ych uniknięto konieczności um ieszczania kłopotliw ego zbrojenia na ścinanie na długości elem entów. Szczegółowo spo­

sób przekazyw ania zew nętrznego m om entu zginającego na elem ent oraz m etodykę prow a­

dzenia badań opisano w [2].

46 K. Grom ysz

Rys.2. Stanow isko badaw cze Fig.2. T he test stand

3. Wyniki badań uzupełniających

B adania uzupełniające objęły beton oraz stal. D la każdego elem entu w yznaczano w ytrzy­

m ałość betonu na ściskanie na 6 próbkach sześciennych o boku 150 m m (fc,cube) oraz na 6 w alcach <|) 150x300 m m (fc,Cyi)- W ytrzym ałość betonu na rozciąganie była określana przez rozłupyw anie 6 w alców <)> 160x160 m m (fct.<t>) oraz przez bezpośrednie zryw anie 6 elem entów o przekroju 100x100 m m (fct,)- W yniki badań uzupełniających betonu przedstawiono w tablicy 2.

S iła uplastyczniająca środkow y przekrój górnego łączonego na zakład zbrojenia, sprowa­

dzony przez toczenie do 14 m m , w ynosiła N y = 66.7 kN, a m oduł sprężystości sta­

li 206.2 GPa.

Tablica 2 W yniki badań w ytrzym ałości betonu

l.p. Rodzaj elementu o z n a ­

czenie

fc.cub*

[H P*] Vr ^fe,eyl

[UPaJ [ItPa]

cljo [MPa]

~ T Ż f

F0 zg ps F2 zg ps F3 zg ps F4 zg ps F5 zg ps F6 zg ps

36.86 36.62 40.62 36.58 36.26 35.93

2.19 2.29 1.68 1.88 2.22 2.91

22.60 12.58 22.11 15.98 20.42 16.52

2.40 2.27 2.79 1.56 3.65 1.35

2.56 2.59 3.03 2.21 2.23 2.26

0.40 0.33 0.53 0 .32 0.51 0.21

2.25 1.64 1.82 1.70 1.56 1.62

0.35 0 .10 0.13 0.05 0.17 0.68

4. Wyniki badań zasadniczych

B adania elem entów prow adzono do całkowitej utraty nośności przez połączenie. We w szystkich elem entach od pew nego poziom u obciążenia rozw ijała się pionow a ry sa biegnąca przez środek połączenia, a następnie, począw szy od obciążenia oznaczonego M crH, poziome zarysow anie na w ysokości górnego łączonego na zakład zbrojenia. W chw ili zniszczenia, w przypadku elem entów , w których a/3 cm , zarysow anie poziom e obejm ow ało ca łą długość zakładu. Przykład zniszczenia elem entu przez poziom e zarysow anie przedstaw iono na rys. 3.

W pozostałych przypadkach (a<3 cm ) zniszczenie elem entów następow ało przez rozerwanie otuliny w rejonie narożnika. N a rys. 4 przedstaw iono zbiorczo obserw ow ane sposoby utraty nośności przez połączenia w zależności od zm iennego param etru (a).

Rys.3. Z niszczenie przez poziom e zarysow anie Fig.3. F ailure caused by horizontal crack

N a rys. 5 przedstaw iono zbiorczo dla elem entów , w których a>0 cm , przebieg rozw artości poziom ego zarysow ania w ydzielającego się na w ysokości górnego łączonego na zakład zbrojenia w środku rozpiętości elem entu, w funkcji sum arycznej siły w łączonym na zakład zbrojeniu. N a rys. 6 zam ieszczono, dla elem entów w których a/3 cm, uśredniony, z lewej i prawej strony połączenia, rozkład rozw artości rysy w ydzielającej się na w ysokości górnego łączonego n a zakład zbrojenia. Prezentow ane na rys. 6 rozkłady zostały zapisane przez apa­

raturę po m iaro w ą w ostatnim cyklu obciążenia, kiedy elem enty przenosiły jeszcze zw iększa­

jące się obciążenie. R ysunek 7 przedstaw ia zbiorczo d la w szystkich elem entów w artości siły w zbrojeniu pionow ym w funkcji m om entu zginającego.

48 K. Grom ysz

T i

o<3 cm

a = 3 cm

a>3 cm

J Vilr-A-. :

\ }

\ □

J !

2 = ² .

BTJ

Rys.4. O brazy zn iszczen ia w zależności od pionow ej odległości m iędzy łączonym i na zakład prętam i Fig.4. Failure m ode depends on vertical distance betw een spliced bars

Rys.5. Z ary so w an ie p oziom e w środku rozpiętości elem entu w funkcji siły w łączonym na zakład zbrojeniu Fig.5. H orizontal crack w idth in the m iddle o f elem ent as a function o f force in upper spliced reinforcem ent

Rys.6. R ozkład ro zw arto ści poziom ego zarysow ania pod obciążeniem niszczącym Fig.6. H orizontal crack distribution at failure

— FOZOP*

- * - F 2 z g p « F3Z8P»

— F4zf l P*

W -FS zgpg

Rys.7. Siła w z b ro jen iu pio n o w y m w funkcji m om entu zginającego (M ) Fig.7. Force in vertical reinforcem ent as a function o f bending m om ent (M)

50 K. Grom ysz

Z przedstaw ionych powyżej w ykresów m ożna w yciągnąć następujące spostrzeżenia:

- ro z w a rto ść poziom ego zarysow ania w ydzielającego się po długości łączonego n a zakład górnego zbrojenia je st zależna od siły występującej w tym zbrojeniu,

- rozw artość poziom ego zarysow ania w przypadku połączeń niszczących się przez poziome rozerw anie (elem enty F3 zg p s -s- F6 zg ps) m a charakterystyczny dzw onow y rozkład, o m aksym alnej w artości w chw ili zniszczenia w ynoszącej około 0.8 mm,

- u t r a t a nośności połączenia w przypadku elem entów niszczących się przez poziom e zary­

sow anie następuje przy sum arycznej wartości siły w zbrojeniu poziom ym wynoszącej około 150 kN,

- w a rto ś ć siły w zbrojeniu pionow ym w dw upoziom ow ym połączeniu zbrojenia na zakład narasta w raz ze w zrostem obciążającego połączenie m om entu zginającego. Przyrost siły w zbrojeniu pionow ym zależy od pionowej odległości m iędzy łączonym i na zakład prętam i i je st w iększy dla połączeń charakteryzujących się w iększą w artością param etru (a), - p r z y ro s t siły w zbrojeniu pionow ym , ponad w artość w stępnego napięcia, następuje w

chw ili pojaw ienia się poziom ego zarysow ania n a w ysokości górnego łączonego na za­

kład zbrojenia.

W tablicy 3 zestaw iono charakterystyczne wartości m om entów zginających obciążających połączenie: m om ent w yw ołujący poziom e zarysow anie - M cr,H, m om ent w yw ołujący upla­

stycznienie sprow adzonego do średnicy 14 m m przekroju środka łączonego na zakład górne­

go z b r o je n ia - M y oraz pom ierzoną rzeczyw istą nośność połączeń - Mo2- O bok charaktery­

stycznych w artości m om entów zginających, w tablicy 3 zam ieszczono rów nież w artości sił w zbrojeniu pionow ym , w górnym łączonym na zakład zbrojeniu (Ng) oraz rozw artości rysy poziom ej w środku połączenia (ccr,H), odpow iadające odpow iednim w artościom m om entów obciążających.

J4a rys. 8, po lewej stronie w ykresu, zam ieszczono uśredniony otrzym any z elem entów F3 zg ps 4 F6 zg ps rozkład rozw artości poziom ego zarysow ania po długości górnego łączo­

nego na zakład zbrojenia w chw ili utraty nośności. Z prawej strony tego w ykresu przedsta­

w iono k rzy w ą w ykładniczą dobrze aproksym ującą otrzym any rozkład zarysowań.

Tablica 3 C harakterystyczne w artości sil pom ierzone w elem entach badaw czych

i.p. Rodzaj elementu o z n a ­

czenie McrH [kNm] [I

M y rkNm]\[l

M02 rkNm]\[l

tłg.erH kS]

Ng, ^{N g,02} M

OcrH.y [mm]

JcrH.Ol rmm]

~ £ Z 7

FO zg ps F2 zg ps F3 zg ps F4 zg ps F5 zg ps F6 zg ps

4.65 3.55 2.32 2.56 2.81

12.61 10.03 8.58 7.53 5.83

13.22 13.78 11.35

9.78 8.82 7.75

35.90 29.78 29.47 45.80 78.66

132.2 131.0 130.8 130.0 133.3

105.9 144.9 146.3 147.9 150.5 165.1

0.37 0.32 0.55 0.55 0.57

0.45 0.70 0.86 0.88 0.88

R y s.8. L ew a strona w ykresu: rozkład rozw artości poziom ego zarysow ania ja k o średnia z elem entów F3 zg ps t-F6 zg ps. P raw a strona w ykresu: krzy w a opisująca rozkład zarysow ania

Fig.8. L eft graph side: horizontal crack distribution as a m iddle o f elem ents F3 zg ps - F6 zg ps. Right side o f th e graph: function th a t represents crack w idth distribution

5. Wnioski

Zaprezentow ane w yniki badań pozw alają na w yciągnięcie następujących wniosków:

1. W artość siły w zbrojeniu pionow ym w dw upoziom ow ym połączeniu zbrojenia na za­

kład zależy od m om entu obciążającego połączenie oraz od pionowej odległości między łączonym i n a zakład prętam i. W iększą w artość siły w zbrojeniu pionow ym obserw ow a­

no przy w iększej odległości m iędzy łączonym i na zakład prętam i.

52 K. Grom ysz

2. Siła w zbrojeniu pionow ym narasta ponad wartość wstępnego sprężenia od m om entu w ystąpienia w łączonym na zakład górnym zbrojeniu siły pow odującej zarysowanie otuliny betonow ej na w ysokości górnego łączonego na zakład zbrojenia.

3. C harakterystyczny rozkład szerokości poziom ego zarysow ania w ystępującego na w ysokości górnego łączonego na zakład zbrojenia m ożna dobrze opi­

sać k rzy w ą w ykładniczą.

Recenzent: Prof.dr hab.inż. M aria Kam ińska

LITER A TU R A

1. G rom ysz K.: B adania połączeń poprzecznych w zespolonych stropach deskowych, X LII K onferencja N aukow a, K rynica 1997, tom IV, ss. 79-86.

2. G rom ysz K.: M ethod o f lap splices investigation in case o f bending concrete elements, Concrete constructions. Theory and experim ental studies. Polish A cadem y o f Science in W rocław. O ficyna W ydaw nicza Politechniki W rocławskiej, W rocław 1999, ss. 51-58.

A b s tra c t

The paper presents tests results perform ed on a tw o - layer lap splices. In case o f this splices bars aren’t in one layer as in typical connections, but there is vertical distance between spliced bars. Force in vertical reinforcem ent in this kind o f splices depend on bending m o­

m ent loading splice and on vertical distance between spliced bars. In case o f elem ents with larger distance betw een spliced bars the force in vertical reinforcem ent w as larger. Force in vertical reinforcem ent started to increase after horizontal crack appeared on the level o f upper spliced bar. C rack gaping distribution along upper spliced bar can be described w ith exponential function.