Badania sprężonych elementów betonowych zespolonych z profilem stalowym

Abstract

Badanie dotyczyło problemu współpracy w zginanym elemencie prefabrykowanym betonu sprężonego z profilem stalowym, a następnie zespolenia tak ukształtowanego elementu z nadbetonem. Zastosowanie tego rodzaju elementów przewiduje się w budynkach kubaturowych z silnie obciążonymi podciągami i ewentualnie w obiektach drogowych - mostach, wiaduktach. Badania przeprowadzono w trzech seriach. W serii I zbadano 6 elementów prefabrykowanych o rozpiętości 6,0m i jednakowych wymiarach przekroju sprężonego oraz o takim samym sprężeniu. Różniły się one jedynie przekrojem profilu stalowego. Badania wykazały, że ze względu na zużycie stali, najbardziej racjonalnym, uzasadnionym ekonomicznie, jest zastosowanie stalowego profilu z pasem górnym w postaci 1/2HEB, z pasem dolnym dobrze zakotwionym w strefie rozciąganej i z pionowymi łącznikami z płaskowników stalowych. Pas dolny profilu stalowego winien znajdować się poniżej cięgien sprężających. Takie usytuowanie profilu stalowego zapewnia znaczne opóźnienie pojawiania się rys ukośnych. Udowodniono także, że łączniki pionowe w postaci płaskowników pełnią rolę strzemion pionowych w przenoszeniu siły poprzecznej. W serii Il zbadano 12 elementów, także o rozpiętości 6,0m. We wszystkich elementach zastosowano jednakowy profil stalowy, różniły się one jednak przekrojem betonowym. Przeanalizowano możliwość zespolenia elementu prefabrykowanego z betonem monolitycznym oraz obciążenie elementu prefabrykowanego płytami sprężonymi typu płyty wielootworowe, a następnie zespolenie z nadbetonem. W tej serii w większości belek nastąpiło wzajemne przemieszczenie betonu i nadbetonu. Naprężenia ścinające w styku betonu i nadbetonu, odpowiadające początkowi tego procesu, wynosiły od 1,78 do 2,81MPa. Były zatem bardzo zróżnicowane. Aby zapobiec wzajemnemu przemieszczeniu zastosowano w strefie podparcia żebrowane pręty nagwintowane, których zadaniem było zespolenie obu pasów profilu stalowego. To rozwiązanie okazało się skuteczne. Seria III dotyczyła elementów statycznie niewyznaczalnych. W tej serii zbadano 6 belek dwuprzęsłowych (rozpiętość przęsła 4,0m). W trzech elementach prefabrykowany element był dostosowany do współpracy ze stropem płytowym monolitycznym, w kolejnych trzech był dostosowany do współpracy z płytami prefabrykowanymi i nadbetonem. Jako zbrojenie na moment ujemny w strefie podpory środkowej zastosowano pręty ze stali żebrowanej RB500W. Nośność na zginanie przekroju przęsłowego założono we wszystkich belkach jednakową, zaś nośność przekroju nad podporą środkową w poszczególnych belkach zróżnicowano, stosując różne stopnie zbrojenia. Założono, że jedynym zbrojeniem na ścinanie będą płaskowniki, łączące oba pasy profilu stalowego, przy czym założono stopień zabezpieczenia ścinania równy [wzór]. Założono, że płaskowniki i pręty gwintowane będą też zbrojeniem przenoszącym siłę rozwarstwiającą. Wszystkie belki zniszczyły się na ścinanie w skutek zerwania spoin pachwinowych, przy czym naprężenia ścinające przy zniszczeniu były wysokie i wynosiły od 4,83MPa dla belki 312 do 3,76MPa dla belki 311. Były to zatem naprężenia bliskie wytrzymałości betonu na rozciąganie, bowiem wytrzymałość betonu prefabrykatu wynosiła 5,25MPa, a nadbetonu od 3,80MPa do 4,85MPa. Zgodnie z oczekiwaniami redystrybucja sił następowała po pojawieniu się rys prostopadłych do osi elementu, nad podporą środkową.The investigation concerned the problem of the cooperation of the prestressed concrete with the steel profile in the prefabricated element under fiexure, and next the connection of the element with the overconcrete. Application of such the elements is expected in the cubature buildings with strong loaded girders and possibly in the road objects - bridges and viaducts. Test were carried out in three series. In series I 6 precast elements of the span equal 6,0m and identical dimension of the prestressed cross-section and of the same prestressing were tested. They differed only with the steel profile cross-section. The experiments demonstrated, that because of steel consumption, the most reasonable and economic is the application of openwork steel profile with top chord in form of 1/2HEB220 and bottom chord well anchored in the tension zone and vertical connectors as fiat irons. Bottom chord of the openwork profile should be placed be low prestressing tendons. Such a layout of openwork profile ensure significant delay in diagonal cracks appearance. There was also proved, that vertical connectors in form of fiat irons play the role of vertical stirrups in carrying of shear force. There were 12 elements tested in series Il, also of the span of 6,0m. The same steel profile in all elements was used, but the concrete cross-section varied. Therefore, the possibility of joining the precast element with the monolithic concrete and loading the precast element with the prestressed plates, type of the multi-holes plates and next the connection with overconcrete were analysed. In the majority of beams in this series the displacement between concrete and overconcrete has taken place. Shear stresses at concrete and overconcrete faces at the initial phase of displacement were 1,78 to 2,81MPa and varied significantly. To prevent mutual displacement in support region trodden deformed bars were applied, to combine both steel profiles together. This solution proved to be efficient. Series III concerned the elements statically non-detenninable. There were 6 two-span beams tested in this series (span of 4,0m). The precast element in three elements was adjusted to the cooperation with the monolithic plate fioor, in the next three it was adjusted to the cooperation with prefabricated plates and with overconcrete. As the reinforcement for negative moment in the middle support zone deformed bars made of RB500W steel were used. Bending capacity of the span cross-section was assumed identical in all beams, but bending capacity of the crosssection over the middle support in particular beams was differentiated by varying reinforcement ratios. It was established, that the only shear reinforcement will be the fiat irons connecting both chords of the steel profile, besides the shear security ratio equal [equation] was assumed. It was also assumed, that fiat irons and trodden bars will act as the reinforcement carrying the delamination force. All beams failed in shear due to breaking the fillet welds and by that the shear stresses at failure were high and they figured out from 4,83MPa for the beam 31 to 3,76MPa for beam 311. Therefore the stresses were close to the concrete tensile strength, concrete tensile strength of the precast element was 5,25MPa and for the overconcrete from 3,80MPa to 4,85MPa. According to the expectations, the redistribution of forces took place after appearance of the cracks perpendicular to the element axis, over the central support.