Wpływ parametrów styku na pracę statyczną żelbetowych belek zespolonych o przekroju teowym

Abstract

Przedmiotem rozprawy są zagadnienia pracy statycznej żelbetowych elementów zespolonych w strefach przypodporowych oraz w styku pod obciążeniem doraźnym. Skoncentrowano się w szczególności na elementach belkowych o przekroju teowym analizując wpływ położenia styku, uogólnionej przyczepności oraz zbrojenia zszywającego na ich pracę statyczną. Rozprawa ma charakter pracy teoretyczno-doświadczalnej. Do jej realizacji wykorzystano badania doświadczalne przeprowadzone w skali półtechnicznej, metody analityczne mechaniki konstrukcji oraz analizy numeryczne. W ramach rozprawy doktorskiej przeanalizowano stan wiedzy w zakresie żelbetowych konstrukcji zespolonych. Opisano i usystematyzowano zjawiska występujące w styku wpływające na jego pracę statyczną, najczęściej stosowane w praktyce modele obliczeniowe nośności styku, konstrukcje zespolone o przekroju teowym z punktu widzenia praktyki budowlanej oraz dokonano przeglądu dotychczasowych badań nad przedmiotowymi elementami. Podkreślono, że brak jest badań i analiz elementów zespolonych o przekroju teowym, w szczególności uwzględniających postać zarysowania styku w strefie przypodporowej oraz, że poszukiwane są charakterystyki sztywnościowe wpływające na zmianę rozkładu sił wewnętrznych i ogólną ich nośność. Zwrócono również uwagę na brak precyzyjnych danych dotyczących parametrów styku przyjmowanych do obliczeń oraz jego modelowania numerycznego, zwłaszcza zagadnień kontaktu oraz kohezji. Badania i analizy własne, zostały zaprogramowane w oparciu o stwierdzone braki. Za punkt wyjścia przyjęto pracę Halickiej (Halicka 2007). Za cel postawiono uzupełnienie i poszerzenie podejścia autorki a w szczególności stwierdzenie, czy założenia i wnioski sformułowane dla elementów zespolonych o przekroju prostokątnym są ważne dla elementów o przekroju teowym, a więc czy można je uogólnić na wszystkie belkowe elementy zespolone. Przebadano modelowe belki z różnie usytuowanym i różnie ukształtowanym stykiem. Przyjęto teowy przekrój poprzeczny, uwzględniając współpracę płyty z żebrem w przenoszeniu obciążeń. Zastosowano trzy warianty lokalizacji styku (licząc od spodu belki): ¾ wysokości (pomiędzy półką a środnikiem), ½ wysokości i ¼ wysokości oraz trzy warianty ukształtowania styku: z przyczepnością i zbrojeniem, z przyczepnością bez zbrojenia oraz zbrojone ze zlikwidowaną przyczepnością. We wszystkich przypadkach badano: siłę niszczącą, siłę rysującą, ugięcie i przemieszczenie wzajemne na końcach belki, odkształcenia w zbrojeniu głównym i poprzecznym oraz inwentaryzowano zarysowanie. Wyniki posłużyły w analizach parametrycznych przeprowadzonych w oparciu o metodologię fib Model Code 2010. Stwierdzono wpływ geometrii przekroju poprzecznego oraz różnicy modułów sprężystości łączonych betonów na rozkład naprężeń stycznych. Ponadto, położenie i sposób kształtowania przyczepności styku wpływa na obraz zarysowania belki zespolonej i w konsekwencji jej mechanizm zniszczenia. Badania i analizy własne potwierdziły wniosek Halickiej (w stosunku do przekrojów prostokątnych), że w przypadku belki zespolonej ze zbrojeniem poprzecznym nie można oddzielnie rozpatrywać nośności styku oraz nośności na ścinanie w strefie przypodporowej. Rozpatrywana winna być nośność na ścinanie w strefach podporowych, ale w sposób pozwalający na uwzględnienie istnienia styku. W przypadku stosowania metodologii fib Model Code 2010 stwierdzono niespójności polegające na różnym podejściu do obliczania składnika przyczepności w stykach sztywnych i niesztywnych oraz niekonsekwentne stosowanie wytrzymałości charakterystycznych i obliczeniowych. Głównym problemem w analizach parametrycznych było obliczenie naprężeń rysujących styk. Zastosowanie modeli normowych wymagało określenia wartości odpowiednich współczynników (parametrów styku) oraz poznania stanu naprężeniowego panującego w styku w chwili zarysowania, a nie w chwili osiągnięcia nośności styku. Pomocą w rozwiązaniu w/w problemów okazała się analiza numeryczna wykonana w oprogramowaniu ABAQUS. Umożliwiła ona prześledzenie pracy modelu odwzorowującego badane laboratoryjnie belki zespolone, uwzgledniającego niezbędne i szczególnie interesujące parametry styku na każdym kroku obciążania aż do zniszczenia włącznie. W analizie opisano przyjęte hipotezy wytrzymałościowe materiałów, założenia i budowę modelu oraz uzyskane wyniki, koncentrując się na szukanych parametrach styku. Uwzględniono różnego typu nieliniowości związane z materiałami, geometrią, kontaktami oraz oddziaływaniem kohezyjnym w styku łączonych powierzchni. Model wykalibrowano na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych i uzyskano brakujące dane pozwalające w pełni opisać pracę styku w złożonym stanie naprężeń. Stwierdzono, że największy wpływ na odpowiedź modelu kształtowanego z przyczepnością ma przemieszczenie w styku δf a jego wartość powinna być przyjmowana w przedziale 0,05÷0,1 mm jako stały parametr materiałowy. Naprężenia przyczepności to oraz współczynnik tarcia μ również mają znaczący wpływ na odpowiedź modelu. Ich właściwy dobór prowadzi do zbieżności wyników analizy numerycznej i badań laboratoryjnych. Analizy numeryczne pozwoliły wyodrębnić przedział wielkości składnika adhezji w nośności styku w złożonym stanie naprężęń wynoszący ok. 70-90% wytrzymałości na rozciąganie fctm słabszego z łączonych betonów oraz określić charakterystyki podatnościowe styków (sztywnych i podatnych) w różnych fazach pracy, przed zarysowaniem, z lokalnym zarysowaniem oraz w chwili występowania maksymalnych naprężeń stycznych. Uzyskane w trakcie badań laboratoryjnych i analiz numerycznych dane, w oparciu o sposób obliczania nośności styku przyjęty w fib Model Code 2010 stanowiły podstawę do opracowania zaleceń do projektowania żelbetowych belek zespolonych. W oparciu o klasyfikację mechanizmów zniszczenia (Halicka 2007) i relacje między siłami powodującymi zarysowanie strefy podporowej a siłami rysującymi styk stworzono algorytm obliczania nośności stref przypodporowych belek zespolonych. Weryfikacja algorytmu obliczeniowego na wynikach badań własnych umożliwiła określenie wartości współczynników potrzebnych do wyznaczenia naprężeni rysujących styk o powierzchni szorstkiej. Na tej podstawie zaproponowano wartości uogólnione, które mogą być wykorzystywane w projektowaniu żelbetowych belek zespolonych.