wyniki badań belek żelbetowych w aspekcie zmiennej intensywnośc

wyniki badań belek żelbetowych w aspekcie zmiennej intensywnośc

WYNIKI BADAŃ BELEK ŻELBETOWYCH W ASPEKCIE
ZMIENNEJ INTENSYWNOŚCI ZBROJENIA POPRZECZNEGO
Justyna Stępień
Opiekun Koła: dr hab. inż. Stefan Goszczyński, prof. PŚk
Piotr Ziółkowski
KN „ŻELBECIK”
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Politechnika Świętokrzyska
1. STRESZCZENIE
W chwili obecnej jednym z tematów, którym zajmuje się nasze koło naukowe są badania zginanych
belek żelbetowych. Wykonano badania 6 belek. Do badań przyjęto schemat statyczny belki
jednoprzęsłowej swobodnie podpartej, o przekroju prostokątnym 120300 mm i długości przęsła
3000 mm, obciążonej dwiema siłami skupionymi F o rozstawie równym 1/3 rozpiętości belki. Dzięki
takiemu schematowi podparcia uzyskano odcinek belki, na którym występuje czyste zginanie,
a moment zginający jest prawie stały.
Belki zostały wykonane z betonu B25 na kruszywie bazaltowym zbrojone w strefie rozciąganej
2 prętami  20 mm ze stali 34GS i w strefie ściskanej 2 prętami  10 mm ze stali St3S. Belki
podzielono na 3 serie, które różniły się między sobą zbrojeniem poprzecznym w środkowym odcinku
belki. Dla serii 1 zastosowano strzemiona - Ø 4,5 co 225 mm ze stali St3S, dla serii 2 co 100 mm.
Seria 3 badanych belek nie posiadała zbrojenia w tym obszarze belki.
W prezentowanej pracy przedstawiano wpływ intensywności zbrojenia poprzecznego na nośność i
zarysowanie elementów.
2. WSTĘP
Prawidłowo wykonane konstrukcje żelbetowe charakteryzują się dużą trwałością [1]. Powszechnie
przyjmuje się, że podstawowe elementy konstrukcyjne, decydujące o bezpieczeństwie obiektu
budowlanego powinny spełniać swoje funkcje w całym wymaganym okresie użytkowania. Trwałość
ich powinna odpowiadać trwałości całego budynku. Pod wpływem działania wzrastającego obciążenia
dochodzi ostatecznie do przekroczenia wartości granicznych sił wewnętrznych w betonie i stali.
Zjawisko to najwyraźniej jest obrazowane poprzez zarysowanie, odkształcenie i ugięcie elementów.
Stan zarysowania elementów żelbetowych jest szczególnie ważny, ponieważ głównie od niego zależy
trwałość konstrukcji [2].
W prezentowanej pracy podjęto próbę określenia wpływu intensywności zbrojenia poprzecznego na
stan zarysowania oraz nośność zginanych belek żelbetowych. Do analizy posłużyły wyniki badań
sześciu belek, w których występowały trzy rodzaje zastosowanego zbrojenia poprzecznego na odcinku
występowania stałego momentu.
3. SPECYFIKA TWORZENIA SIĘ RYS W KONSTRUKCJACH ŻELBETOWYCH I ICH
WPŁYW NA TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI
Występowanie rys jest nierozerwalnie związane z pracą konstrukcji żelbetowych gdyż jest naturalną
odpowiedzią materiału na wywołany w nim stan odkształcenia [3]. Ogólne hipotezy potwierdzone
doświadczalnie odnoszące się do właściwości rys mówią, iż odstępy rys są tym większe, im większa
jest średnica wkładek, grubsza otulina, niższy procent zbrojenia i mniejsza przyczepność stali do
betonu. Szerokość rys jest tym większa, im większa jest odległość między nimi i większe naprężenia
w stali. Strzemiona i wkładki rozdzielcze wprowadzają zaburzenia w prawidłowości rozstawu rys, co
spróbujemy udowodnić poprzez analizę wyników naszych badań.
Powstanie rysy w danym przekroju zależy od usytuowania rys już istniejących. Jest to związane
z faktem, iż w prawo- i lewostronnym otoczeniu rysy następuje spadek naprężeń w betonie,
wykluczający powstanie nowej rysy [4]. Wiąże się to z faktem, że różnica odkształceń między
betonem i stalą może wystąpić jedynie na tym obszarze.
Rysy tworzą się w rozciąganej strefie elementów betonowych z chwilą gdy naprężenia przekraczają
stosunkowo małą wytrzymałość tego materiału na rozciąganie. W zginanych elementach żelbetowych
pierwsza rysa pojawia się w miejscu największego momentu lub w najsłabszym obszarze, co wynika
z niejednorodności materiału. W przekroju zarysowanym, naprężenia w zbrojeniu znacznie wzrastają
w porównaniu do stanu poprzedzającego zarysowanie i w najbliższym sąsiedztwie rysy zostaje
naruszona przyczepność do betonu [5]. W rzeczywistości odstęp rys jest różny, a ponadto nie
wszystkie rysy osiągają pełny rozwój. Niektóre z nich pojawiają się, a następnie znikają lub łączą się z
innymi.
Z obserwacji zarysowania belek żelbetowych wynika, że rysy od zginania są prostopadłe do podłużnej
osi elementu, a przynajmniej przecinają zbrojenie podłużne strefy rozciąganej pod kątem prostym.
W momencie załamania najczęściej tylko jedna rysa wydłuża się do krawędzi ściskanej, gdzie się
rozwidla wydzielając nieforemną bryłę betonu, która ulega zmiażdżeniu. Rysy mogą mieć bardzo
różny kształt.
Występowanie rys jest bardzo niekorzystne, ponieważ stwarzają one sprzyjające warunki do
przenikania czynników wywołujących korozję zbrojenia, wpływają na szybkość korozji i głębokość
karbonizacji oraz przyczyniają się do powstania mikroogniw na powierzchni zbrojenia. Najbardziej
niekorzystne są rysy czynne, czyli takie, których rozwarcie zmienia się na skutek obciążenia
konstrukcji. Rysy te są szczególnie charakterystyczne dla rozciąganych stref elementów żelbetowych.
Rozwój rys w elementach rozciąganych przebiega w trzech fazach. W pierwszym etapie rysy mogą
mieć kształt klinowy, a następnie po dekompresacji betonu, przyjmują kształt równoległy. Dochodzi
wówczas do powstawania mikroszczelin między stalą a betonem, których rozwój związany jest ze
wzrostem naprężeń w zbrojeniu. W przypadku prętów żebrowanych jest on ograniczony ze względu
na lepszą przyczepność pomiędzy stalą a betonem.
Naruszenie przyczepności przyczynia się do rozwoju korozji nie tylko bezpośrednio w rysie, ale
również na pewnym odcinku wzdłuż prętów.
Długość korodujących odcinków zależy przede wszystkim od grubości otuliny i szerokości rysy. Przy
rysach o szerokości powyżej 0,3 mm długości odcinków zaatakowanych przez korozje rosną.
Natomiast przy rysach do 0,1 mm nie obserwuje się rdzy na powierzchni zbrojenia.
Rysy powstające w elementach zginanych można podzielić na trzy rodzaje: rysy otwarte na
powierzchni elementu i sięgające powierzchni zbrojenia, rysy o szerokości przy powierzchni zbrojenia
równej lub nieco większej niż na powierzchni elementu, rysy poprzeczne z rysami podłużnymi
powstające wskutek utraty przyczepności zbrojenia do betonu o szerokości przy powierzchni zbrojenia
większej niż na powierzchni elementu. W pierwszym przypadku korozja zbrojenia nie występuje, a
możliwe zawilgocenie rysy nie wpływa na naruszenie tego stanu, ponieważ dyfundujący wodorotlenek
wapnia (Ca(OH)2) utrzymuje wysokie pH. W drugim i trzecim przypadku zbrojenie może korodować
zaraz po zarysowaniu, gdyż niekorzystne czynniki maja łatwiejszy dostęp do powierzchni zbrojenia.
W rysach o większej szerokości tempo korozji jest tak samo duże jak w stali nieobetonowanej,
a nawet większe ze względu na stałe zawilgocenie. Czynnikiem wpływającym na wzrost korozji
w rysach jest także zmienność obciążenia, ponieważ naturalne zasklepianie się drobnych rys nie
występuje.
4. OPIS PRZEPROWADZONYCH BADAŃ
Wykonano badania sześciu belek żelbetowych o przekroju prostokątnym 120×300 mm i długości
3300 mm. Do badań przyjęto schemat statyczny belki jednoprzęsłowej swobodnie podpartej,
obciążonej dwiema siłami skupionymi F o rozstawie równym 1/3 rozpiętości belki. Dzięki takiemu
schematowi podparcia uzyskano odcinek belki, na którym występuje czyste zginanie, a moment
zginający jest prawie stały.
Belki wykonano z betonu B25 na kruszywie bazaltowym zbrojone w strefie rozciąganej dwoma
prętami ø 20 mm ze stali 34GS i w strefie ściskanej dwoma prętami ø 10 mm ze stali St3S. Belki
podzielono na 3 serie, które różniły się miedzy sobą zbrojeniem poprzecznym na odcinku stałego
momentu. Dla serii 1 zastosowano strzemiona ø 4,5 co 225 mm ze stali St3S, dla serii 2 rozstaw
strzemion wynosił 100 mm. Seria 3 badanych belek nie posiadała zbrojenia poprzecznego
w tym obszarze. Na odcinkach między siłą skupioną a podporą strzemiona były rozstawione co
100 mm.
Dla wszystkich badanych belek wykonywano pomiary: odkształceń, ugięć, szerokości rys
i zinwentaryzowano je na odcinku pomiędzy siłami skupionymi. Odkształcenia pomierzono na
poziomie środka ciężkości zbrojenia rozciąganego i ściskanego za pomocą ekstensometru nasadowego
o bazie pomiarowej 200 mm. Pomiaru szerokości rozwarcia rys dokonano na powierzchni betonu w
miejscu występowania zbrojenia rozciąganego przy użyciu mikroskopu Brinell’a o dokładności 0,01
mm. Ugięcie mierzono za pomocą elektronicznych czujników ugięć umieszczonych pod belką
podłączonych do komputera.
Obciążenie realizowano skokowo według następującego programu: 0→2,5→5,0→7,5→10→12,5
→15→20→25→30→35→40→45→50→55 kN i dalej do zniszczenia.
Uzyskane rezultaty zostały zapisane w bazach danych i stanowiły podstawę dalszej analizy.
5. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH
Warte zaprezentowania są jedynie wyniki dotyczące rys, które zaprezentowano poniżej w tabeli:
Średnia szerokość rozwarcia rys
Seria 1
Seria 2
Seria 3
Liczba rys
Seria 1
Seria 2
Seria 3
Obciążenie Belka Belka Belka Belka Belka Belka Belka Belka Belka Belka Belka Belka
S1B1 S1B2 S2B1 S2B2 S3B1 S3B2 S1B1 S1B2 S2B1 S2B2 S3B1 S3B2
0
2,5
5
7,5
0,020 0,018
2
5
10
0,022 0,022
0,050
6
8
12,5
0,024 0,034 0,025 0,050
13
13
2
2
15
0,032 0,038 0,025 0,020
1
13
15
7
2
20
0,035 0,041 0,045 0,043 0,026 0,026 11
7
14
21
14
6
25
30
35
40
45
50
55
0,042
0,049
0,063
0,066
0,070
0,075
0,083
0,062
0,072
0,080
0,086
0,099
0,104
0,119
0,052
0,056
0,052
0,048
0,054
0,062
0,073
0,052
0,062
0,068
0,083
0,100
0,101
0,102
0,026
0,028
0,032
0,041
0,050
0,064
0,077
0,027
0,033
0,038
0,054
0,068
0,077
0,096
16
20
26
30
32
35
37
17
19
20
23
24
26
28
16
16
25
28
28
29
32
22
23
25
25
25
25
27
17
27
30
32
34
35
36
12
16
22
27
29
30
30
Na rysunkach 1,2,3 przedstawiono inwentaryzację rys dla zbadanych belek. Przykładowo pokazano
inwentaryzację rys dla jednaj strony belki.
Rys. 1. Proces tworzenia się rys dla belki S1B2
Rys. 2. Proces tworzenia się rys dla belki S2B2
Rys. 3. Proces tworzenia się rys dla belki S3B1
6. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Na podstawie wykonanej inwentaryzacji rys i porównaniu ich występowania z położeniem strzemion
stwierdzono, iż większość rys na powierzchni zginanej belki żelbetowej pojawia się w pobliżu
zbrojenia poprzecznego. Dla serii 1 belek w kilku przypadkach rysy powstały wręcz w miejscu jego
występowania. Wyraźna jest również zależność wcześniejszego pojawiania się rys w przypadku, gdy
w belce występuje zbrojenie poprzeczne. Mimo że ostatecznie ilość rys jest w miarę porównywalna to
w belkach, w których nie ma strzemion większość z nich powstała dużo później. Pierwszą rysę wśród
elementów nie zbrojonych poprzecznie na odcinku stałego momentu zaobserwowano na poziomie
obciążenia 10 kN, zaś kolejne kilka dopiero przy 15 kN w przypadku jednej belki oraz przy 12,5 kN
dla drugiej belki. Jeżeli zaś chodzi o serię 2 belek żelbetowych, pierwsze zarysowania stwierdzono
przy obciążeniu 7,5 kN, większość pozostałych rys pojawiała się również w pierwszym etapie
obciążania.
Dla belki S2B2, 83% wszystkich powstałych rys pojawiło się do momentu wystąpienia obciążenia 20
kN, podczas gdy w elementach, gdzie nie zastosowano w środkowej części strzemion najwyżej 47 %.
Dodatkowo w pierwszej kolejności rysy pojawiały się przy lub na zbrojeniu poprzecznym, a dopiero
potem między strzemionami.
Wszystkie wyniki są zbyt zbliżone do siebie (36 rys pojawiło się na belce bez strzemion a 37 rys na
belce ze strzemionami o rozstawie 22,5 cm), aby można było mówić o wpływie strzemion na ilość rys.
Średni rozstaw rys jest ściśle związany z ich ilością przypadającą na metr długości belki, wnioski są
identyczne jak w przypadku ilości rys.
7. WNIOSKI
Badania wykonano z myślą sprawdzenia wpływu rozstawu strzemion na nośność zginanej belki na
odcinku czystego zginania. Pomiary, które towarzyszyły badaniom belek pozwoliły na porównanie nie
tylko nośności elementów, lecz też ich ugięć, odkształceń oraz rys, które powstawały na belkach
podczas procesu ich niszczenia.
Nośność wszystkich belek jest do siebie zbliżona - 58÷60 kN, różnica jest bardzo mała, nie można
więc mówić o wpływie strzemion na nośność.
Wartość obciążenia rysującego różni się w przypadku różnych wariantów zazbrojenia, ale nie
zaobserwowano żadnych tendencji – belki bez zbrojenia rysowały się przy obciążeniu równym 10 kN,
gdy zbrojenie rozstawione było w odległości 10 cm, rysy pojawiały się przy 7,5 kN, rozstaw 22,5 cm
powinien być związany z obciążeniem rysującym z przedziału 7,5÷10 kN, lecz dla takiej wersji
zbrojenia rysy pojawiają się przy 15 kN ( teoretyczne obciążenie rysujące wynosi 7,6 kN ).
Wyniki, raczej tendencje które udało się zaobserwować na przykładzie tak niewielkiej grupy badanych
belek wydają się być zgodne z logiką : rozstaw strzemion w miejscu gdzie strzemiona nie pracują nie
ma wpływu na nośność na zginanie elementu żelbetowego, ich wpływ na zarysowanie belki jest tak
minimalny, że wręcz nie istotny dla inżyniera.
LITERATURA
[1] Ściślewski Zbigniew: Ochrona konstrukcji żelbetowych.
[2] Włodarczyk Maria: Zarysowanie zginanych belek żelbetowych jako proces stochastyczny., Praca
doktorska, Kielce 2002
[3] Goszczyński Stefan: Zarysowanie belek żelbetowych. ZN Politechniki Śląskiej, Gliwice 1990.
[4} Goszczyńska Barbara, Goszczyński Stefan: Rozwarcie rys w zginanych belkach żelbetowych.
XXVII konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 1981
[5] Godycki-Ćwirko Tadeusz: Morfologia rys elementów żelbetowych w świetle badań
eksperymentalnych. AIL, tom XXIII, z.1. Warszawa 1977.