Badania połączeń płyta – słup wzmacnianych zewnętrznie na przebicie

Abstract

W ramach projektu badawczego wykonano i zbadano 12 modeli w skali naturalnej stanowiących fragment płyty żelbe-towej wraz z odcinkiem słupa. Grubość płyty wynosiła 18cm, wymiary w rzucie 2,3×2,3m, a bok słupa o przekroju kwa-dratowym wynosił 25cm. Głównym celem badań było sprawdzenie doświadczalne możliwości wzmacniania płyt żelbeto-wych na przebicie za pomocą zbrojenia zewnętrznego mocowanego do górnej (rozciąganej) powierzchni płyty. Koncepcja ta wykorzystywała zależność nośności na przebicie od stopnia zbrojenia głównego płyty lub inaczej jego mocy (ρ·fy / fc). Jako zbrojenia zewnętrznego użyto płaskowniki stalowe i taśmy typu CFRP. Badania przeprowadzono w 3 seriach po 4 modele w każdej serii. Wszystkie modele w każdej serii były wykonane z tej samej mieszanki betonowej klasy C35/45. W każdej serii wykonywano modele odniesienia bez wzmocnienia. Pierwsza seria dotyczyła zbrojenia w postaci płaskowników stalowych. Parametrami zmiennymi była liczba płaskowni-ków i sposób ich mocowania do płyty. Najskuteczniejszym sposobem mocowania okazało się klejenie płaskowników wraz z ich jednoczesnym mocowaniem za pomocą śrub wklejanych. W modelu tym osiągnięto nośność 825kN, co w odniesieniu do modelu świadka (500kN) stanowiło wzrost nośności o 65%. W drugiej serii wykorzystano taśmy CFRP jako zewnętrzne zbrojenie wzmacniające. Jeden z modeli miał przyklejone 8 taśm o przekroju 1,4×90mm (As = 126 mm2) zgodnie z technologią zalecaną przez firmę Sika. Okazało się, że wzrost nośności tego modelu w stosunku do świadka wyniósł tylko 11%. Zaobserwowano jednocześnie charakterystyczny sposób niszczenia tak wzmocnionego modelu, który polegał na odspajaniu się taśm od betonu w miejscu wylotu rysy ukośnej na górnej powierzchni płyty. Aby ograniczyć ten niekorzystny efekt odrywania się taśm od betonu, w następnym modelu taśmy zostały dodatkowo przytwierdzone wklejanymi śrubami w przewidywanym miejscu wylotu rysy ukośnej. Zabieg ten zaowocował wzrostem nośności o 26% w stosunku do świadka. W trzecim modelu podwojono liczbę taśm do 16 sztuk. Klejono je jedna na drugiej. Jednocześnie zastosowano dodatkowe mocowanie taśm za pomocą śrub. W tym trzecim mode-lu uzyskano wzrost nośności o 36%. Trzecia seria została poświęcona często spotykanemu problemowi w praktyce zaniżania nośności na przebicie w wyni-ku przemieszczania się zbrojenia górnego płyty do dołu. W serii tej wykonano oprócz modelu świadka z nominalną otuliną zbrojenia 2cm, modele z otuliną 5cm. Jeden z nich również nie wzmocniono, pozostawiając jako drugiego świadka. Dwa pozostałe wzmocniono 8 płaskownikami stalowymi stosując jednoczesne ich klejenie i mocowanie śrubami. Wzmocnienie aplikowano w jednym z tych modeli do płyty nie obciążonej, a w drugim wypadku operację wzmacniania przeprowadzono na modelu pod obciążeniem. Najpierw badany element został obciążony do poziomu obciążenia odpowiadającemu eksplo-atacyjnemu, przy założeniu prawidłowego położenia zbrojenia. Ze względu na przemieszczenie zbrojenia, obciążenie to znacznie przekraczało obciążenie eksploatacyjne i odpowiadało sile równej 70% siły niszczącej. Następnie odciążono mo-del do poziomu około 50% siły niszczącej. Po ustabilizowaniu się ugięć przystąpiono do montażu zewnętrznego zbrojenia. Odczekano kilka godzin potrzebnych do związania kleju i kontynuowano obciążanie modelu aż do zniszczenia. Uzyskano następujące wyniki siły niszczącej: - model świadek z nominalną otuliną (2cm) 475kN, - model świadek ze zwiększoną otuliną (5cm) 367kN, - model wzmocniony przy zerowym obciążeniu 700kN (wzrost o 91%), - model wzmocniony pod obciążeniem 675kN (wzrost o 84%). Uzyskane wyniki badań potwierdziły w pełni skuteczność proponowanej koncepcji wzmacniania żelbetowych płyt na przebicie poprzez zwiększenie mocy zbrojenia na zginanie.The research project included execution and experimental testing of 12 natural scale specimens, being a part of rein-forced concrete flat slab with a fragment of column. The slab’s thickness was 18cm, the overall dimensions of 2,3×2,3m and the fragment of column was square in cross section with a side length of 25cm. The main aim of the research was ex-perimental verification of the strengthening concept against punching shear by fixing additional external reinforcement to the upper (tension) surface of the slab. This method uses the relationship between punching capacity and longitudinal rein-forcement ratio, called also mechanical reinforcement ratio (ρ·fy / fc). As external reinforcement flat irons and CFRP strips were used. The research was carried out in 3 series, each consisting of 4 specimens. All slabs in every series were cast from the same concrete mixture C35/45 class. In every series a specimen without strengthening was made for comparison. The first series concerned the possibility of strengthening with flat irons. The variables were the number of flat irons used and the type of fixing to the slab. The most efficient turned out to be fixing flat irons to the slab by glue and simulta-neously by anchoring bolts. This specimen reached the ultimate punching capacity of 825kN, what in relation to the un-strengthened specimen (500kN) gave the increase of load carrying capacity of 65%. The second series used CFRP strips as external reinforcement for strengthening. One of the specimens had 8 strips (cross-sectional dimensions of a single strip 1,4×90mm, As = 126 mm2) fixed to the slab’s surface by glue according to technology advised by Sika. The increase of load carrying capacity of this specimen in relation to reference slab turned out to be only 11%. At the same time a specific type of failure was observed for the specimen strengthened this way, leading to the debonding of CFRP strips on the edge of a shear crack at the upper surface of the slab. To limit the negative effect of strips’ debonding from concrete, the next specimen had the strips additionally fixed by anchoring bolts in the predicted place of shear crack outlet. This technique resulted in the increase of punching capacity up to 26% over reference slab. The third specimen had a doubled number of strips (16 units) for strengthening. They were fixed in two layers, one on the other and simultaneously additionally anchored by bolts. This specimen reached the increase of load carrying capacity of 36%. The third series was dedicated to a problem frequently occurring in practice, which is the decrease of punching capacity due to the displacement of slab’s upper reinforcement downwards. This series, except the reference specimen with a rein-forcement cover of 2cm, had slabs with cover 5cm thick. One of these specimens also remained unstrengthened and served as a second element for comparison. The remaining two slabs were strengthened with 8 flat irons fixed by glue and anchor-ing bolts. In one case the strengthening was installed to the slab before placing any load and in the other, the operation was performed under the load applied to the specimen. Firstly, the load was applied to the test slab, reaching the level of operat-ing technological load, assuming the correct cover of steel reinforcement. Due to the reinforcement displacement this amount of load significantly exceeded the operating level and corresponded to the 70% of the ultimate punching load. The next step was to reduce the load approximately to 50% of the ultimate punching load. After stabilisation of deflections, the external strengthening was mounted to the slab. Few hours later, which were needed for the binding of glue, the testing proceeded up to slab’s failure. The following results of punching capacity were obtained: - the reference specimen with a nominal cover (2cm) 475kN, - the reference specimen with an increased cover (5cm) 367kN, - the specimen strengthened under zero load 700kN (an increase of 91%), - the specimen strengthened under the load 675kN (an increase of 84%). The research studies and obtained results confirmed the effectiveness of the presented in the paper concept of strengthening flat concrete slabs against punching shear failure by increasing mechanical reinforcement ratio against bending.