Nośność słupów żelbetowych z betonu o wysokiej wytrzymałości przewarstwionych żelbetową płytą z betonu o niższej wytrzymałości

Abstract

Względy ekonomiczne jak również konstrukcyjne przemawiają za różnicowaniem wytrzymałości betonu słupów oraz płyt obiektów wielokondygnacyjnych. Powstaje jednak wówczas pytanie, na ile przewarstwienie betonem płyty może wpływać na zmniejszenie nośności słupa. Celem badań było przeanalizowanie czynników nierozważanych w dotychczasowych pracach, mogących determinować nośność słupów z betonów o wysokiej wytrzymałości, przewarstwionych słabszym betonem płyty. W ramach realizowanego projektu badawczego wykonano w skali około 1:2 i zbadano łącznie 10 elementów, zgrupowanych w czterech seriach badawczych. Podstawowe modele badawcze stanowiły słupy o przekroju 200 × 200 mm i wysokości całkowitej 1320 mm, wykonane z betonu o wysokiej wytrzymałości. Były one przewarstwione płytą o grubości 120 mm, wykonaną z betonu zwykłego lub lekkiego betonu kruszywowego. Elementom podstawowym towarzyszyły modele porównawcze, stanowiące słupy o przekroju 200 × 200 mm i wysokości 600 mm, wykonane w całości z betonu o wysokiej wytrzymałości i zbrojone w taki sam sposób jak słupy modeli podstawowych. Ich nośność stanowiła poziom odniesienia dla oceny wpływu przewarstwienia słabszym betonem płyty na nośność słupów modeli podstawowych. Pierwsza i druga seria badawcza obejmowały modele wewnętrznych słupów. Parametry zmienne stanowiły: rodzaj betonu płyty: zwykły (seria M) lub lekki kruszywowy (seria ML), jak również wielkość obciążenia płyty: 50, 100 lub 150 kN. Wyniki badań pokazały, iż nośność słupów modeli z płytami z lekkiego betonu kruszywowego była o około 20% niższa od nośności modeli odniesienia – niezależnie od wielkości obciążenia płyt, a tym samym wykorzystania ich nośności na przebicie. Stwierdzono jednocześnie wyraźne różnice w zachowaniu i nośności modelu z płytą z betonu lekkiego i elementu z płytą z betonu zwykłego, mimo jednakowego obciążenia ich płyt. Badania serii trzeciej obejmowały trzy modele krawędziowych słupów. Jedyny parametr zmienny stanowiło położenie słupa względem krawędzi płyty. Odległość ta równa była pełnej bądź połowie grubości płyty, zaś słup jednego z modeli zlicowany był z jej krawędzią. Nośność modelu z płytą zlicowaną z krawędzią słupa była o około 20% niższa od nośności słupa odniesienia. Jednocześnie stwierdzono, iż nieznaczne przewieszenie płyty poza krawędź słupa może skutkować znaczącym podniesieniem nośności elementu, tak iż o zniszczeniu będzie decydowało wyczerpanie nośności słupa z betonu o wysokiej wytrzymałości – nie zaś zmiażdżenie betonu w strefie węzłowej. Czwarta seria badawcza obejmowała trzy modele narożnych słupów. Jedyny parametr zmienny stanowiła lokalizacja słupa względem krawędzi płyty. Poczynione obserwacje były zbliżone jak w przypadku badań elementów serii trzeciej. Nośność modelu ze słupem zlicowanym z obiema krawędziami płyty była o około 25% niższa od nośności słupa odniesienia. O zniszczeniu modeli z płytami przewieszonymi zadecydowało wyczerpanie nośności słupów poza strefą węzłową. Zarysowanie dolnych powierzchni płyt modeli z płytami przewieszonymi korespondowało z obrazem zarysowania płyt modeli wewnętrznych połączeń płytowo – słupowych. Wyniki badań pokazały istotny wpływ odkształcalności betonu płyty na nośność słupów przewarstwionych, wykonanych z betonu o wysokiej wytrzymałości. Stwierdzono jednocześnie bardzo korzystny wpływ zabiegu polegającego na przewieszaniu płyty poza krawędzie słupa. W rozważanych badaniach pozwoliło to podnieść nośność o około 20 ÷ 25% względem modeli z płytami zlicowanymi z krawędziami słupów.Economic and constructional considerations favour diversification of the strength of the concrete of columns and slabs of multi-storey structures. However, this raises a question to what extent large intersection of the slab with concrete can influence the decrease in load carrying capacity of the column. The aim of the research was to analyze the factors so far unconsidered in literature, the factors which could determine the load carrying capacity of columns made from highstrength concrete, intersected with weaker concrete of a slab. Within the research project considered 10 elements made in half scale and divided into four test groups, were tested. The basic tested models were the columns with the cross section of 200 by 200 mm and the total height of 1320 mm, made from high-strength concrete. They were intersected with a 120 mm thick slab made from normal concrete or lightweight aggregate concrete. The basic elements were accompanied by benchmarking models, i.e. columns with the cross section of 200 by 200 mm and the height of 600 mm, made completely from high-strength concrete and reinforced like the columns of basic models. Their load carrying capacities was a benchmark for estimating the influence of intersection with weaker concrete of a slab on the load carrying capacity of the columns of basic models. The first and the second series of the tests concerned the models of inner columns. The variable parameters were: the type of the concrete of a slab – normal ( the M series) or light aggregate (the ML series), as well as the value of the load on the slab: 50, 100 or 150 kN. The results of the tests showed that the load carrying capacity of the columns of the models with slabs made from light aggregate concrete was about 20% lower than the load carrying capacity of the benchmark models, independently of the value of the load on slabs, and, consequently, exhaustion of their punching shear capacity. At the same time, clear differences in the performance and load carrying capacity of the model with a slab made from lightweight aggregate concrete and the element with a slab made from normal concrete, despite the same load on both slabs, was observed. The tests of the third series concerned three models of edge columns. The only variable parameter was the position of a column in relation to the edge of a slab. The distance was equal to the thickness of the slab or to half of it, and the column of one of the models was surfaced with the slab’s edge. The load carrying capacity of the model with the slab surfaced with the edge of the column was about 20 % lower than the load carrying capacity of the reference column. At the same time it was observed that slight overhanging of a slab beyond the edge of a column may result in significant increase of the load carrying capacity of the element, so, consequently, the factor deciding on the failure will be reaching the limit of the load carrying capacity of a column made from high-strength concrete, and not shredding of concrete in the joint zone. The fourth series of the tests concerned three models of corner columns. The only variable parameter was the location of a column in relation to the edge of a slab. The observations were similar to the ones made in case of the tests of the third series. The load carrying capacity of the model with a column surfaced with both edges of a slab was about 25 % lower than the load carrying capacity of the reference column. What decided on the failure of the models with overhang slabs was running out of the load carrying capacity of the columns outside the joint zone. Cracking of the lower surfaces of the slabs in the models with overhang slabs corresponded with the cracking of the slabs in the models of the internal column – slab connections. The results of the tests showed significant influence of deformability of concrete of a slab on the load carrying capacity of the intersected columns made from high-strength concrete. What was observed at the same time was very beneficial influence of overhanging a slab beyond the edges of a column. In the tests described below it made it possible to increase the load carrying capacity by about 20 to 25% in comparison with the models of slabs surfaced with the edges of columns.