Apie projektą

Projekto finansavimo sutarties Nr.: S-MIP-23-123

Projekto vykdymo laikotarpis: 2023-04-01 — 2026-03-31

Projekto mokslinio tyrimo vadovas: prof. habil. dr. Gintaris Kaklauskas

Projekto anotacija

1 pav. Armuoto betono sijos deformacijų ir įtempių diagramos

Mokslinis naujumas

Betonas yra antroji po vandens žmogaus suvartojama žaliava. Nepaisant daugybės privalumų, betono konstrukcijos turi ir trūkumų: dėl mažo tempiamojo stiprio betonas pleišėja; veikiama agresyvios aplinkos, plieninė armatūra koroduoja, o tai ženkliai sumažina konstrukcijos ilgaamžiškumą. Minėti trūkumai gali būti pašalinti taikant pažangius konstrukcinius sprendimus, pavyzdžiui, taikant hibridinį armavimą, apimantį du ar daugiau skirtingų komponentų elementų armavimui. Hibridiškai armuotuose lenkiamuosiuose gelžbetoniniuose elementuose dispersinis plaušas sumažina atsivėrusių plyšių plotį. Nedideliame apsauginiame sluoksnyje esantys polimerinės kompozitinės armatūros strypai užtikrina efektyvumą ir ilgaamžiškumą, o plieniniai strypai su dideliu apsauginiu sluoksniu užtikrina konstrukcinio elemento plastišką elgseną bei atsparumą veikiant agresyvios aplinkos poveikiams. Tokie konstrukciniai sprendimai padidina konstrukcijos ilgaamžiškumą ir eksploatavimo trukmę, sumažina techninės priežiūros ir remonto išlaidas ir padeda mažinti išmetamo CO2 kiekį. Kita vertus, dėl projektavimo metodų trūkumo, hibridinio armavimo taikymas praktiniuose projektuose yra ribotas. Iki šiol nėra pasiūlyta patikimų strypais ir dispersiniu plaušu armuotų betoninių elementų deformacijų modelių. Šio projekto tikslas - sukurti paprastą, mechaniškai patikimą, universalų ir tikslų deformacijos modelį armuotų betoninių sijų, kurių hibridiniam armavimui derinami plieniniai ir kompozitiniai strypai bei dispersinis plaušas, įtempių ir deformacijų būvio analizei. Pastarasis modelis bus sukurtas be liekamojo stiprio identifikavimo eksperimentinių bandymų, kurių poreikis reglamentuotas konstrukcijų projektavimui taikomose taisyklės. Modelyje bus patikslinta viena iš klasikinių prielaidų. Ši prielaida atitinka pagrindinę naujai kuriamo modelio idėją, pagal kurią susiejamas strypais ir dispersiniu plaušu armuoto lenkiamojo elemento standumas su visiškai supleišėjusio armuoto elemento be plaušo standumu.

Plaušu armuotas betonas yra nauja, visiškai neseniai susiformavusi kompozitų klasė, kuri dėl plataus pritaikymo galimybių statybos inžinerijoje kelia didžiulį mokslininkų bei tyrėjų susidomėjimą tiek Lietuvos (Z. Rudžionis, V. Gribniak, A. Ulbinas, R. Šalna, A. Meškėnas), tiek viso pasaulio (A. E. Naaman, J. A. O Barros, S. J. Foster) mastu. Tačiau dėl itin sudėtingos plaušu armuoto betono elgsenos patikimo modelio, skirto prognozuoti vieną svarbiausių parametrų konstrukcijos tinkamumo ribiniam būviui užtikrinti – įlinkį, vis dar nepavyksta sukurti. Dabartinėse Europos normose (Eurocode 2) metodikos šiam dydžiui nustatyti nėra, o kituose standartuose, pavyzdžiui, Model Code 2020, Vokiečių, Australų, RILEM ir kt., siūlomi modeliai turi nemaža trūkumų: 1) Modelių taikymui būtinas papildomas parametras – liekamasis tempiamasis stipris, kuris nustatomas eksperimentiškai bandant standartines pluoštu armuotas betonines sijas. 2) Analizės koncepcija žymiai skiriasi nuo klasikinės, kuri taikoma tipiniams armatūros strypais armuotiems lenkiamiesiems elementams. 3) Nepakankamas tikslumas. Taip pat yra pasiūlyta ir keletas kitokių įlinkių (empirinių bei analitinių) modelių, kurių taikymui nereikia atlikti papildomų eksperimentinių bandymų [Tan 1994, Domski 2020, Campione 2008, Kaklauskas et al. 2022 (Str. Eng.& Mech. Jrn.)]. Tačiau ir šie modeliai taip pat turi trūkumų: empiriniai modeliai (Tan 1994, Domski 2020) yra nepakankamai tikslūs ir nėra teoriškai pagrįsti, o analitiniai [Campione 2008, Kaklauskas et al. 2022 (Str. Eng.& Mech. Jrn.)] yra pernelyg sudėtingi. Daugelis nusistovėjusių šių laikų plieniniais arba polimeriniais strypais armuotų betoninių lenkiamų elementų įlinkių modelių yra sukurti remiantis gerai žinoma klasikine koncepcija, kurią 1965 m. pasiūlė Bransonas [1]. Šis modelis daugelį metų buvo įtrauktas į JAV (ACI 318), Kanados, Australijos, Naujosios Zelandijos projektavimo normas. Pagrindinės modelio prielaidos:

1. Galioja plokščiųjų pjūvių hipoteze.

2. Nesupleišėjusio lenkiamojo elemento skerspjūvio standis atitinka viršutinę lenkiamojo standžio ribą.

3. Supleišėjusio lenkiamojo elemento skerspjūvio standis atitinka apatinę lenkiamojo standžio ribą.

Bransonas pasiūlė empirinę efektyviojo inercijos momento išraišką [1], kuri reprezentuoja laipsnišką skerspjūvio standžio pokytį nuo tampraus (nesupleišėjusio) iki visiškai supleišėjusio. Remiantis panašia idėja, išvesti ir Europos normose (Eurocode 2) bei Model Code 2020 pateikiami modeliai – vidutinis lenkiamojo elemento kreivis nustatomas interpoliuojant reikšmes tarp nesupleišėjusio ir visiškai supleišėjusio skerspjūvių būvių.

Šiame projekte, remiantis klasikine Bransono pasiūlyta koncepcija, kuriamas naujas modelis, skirtas lenkiamųjų betoninių elementų, armuotų hibridine armatūra, įlinkiui prognozuoti. Taip pat, kitaip nei iki šiol siūlomuose modeliuose, planuojama patikrinti anksčiau pateiktų esamų klasikinių prielaidų pagrįstumą ir pasiūlyti esminių pokyčių – tai yra vienas pagrindinių šio modelio naujumo aspektų.

Naujasis modelis išvestas remiantis projekto vadovo pasiūlyta atvirkštinio modeliavimo koncepcija. Pagrindinės modelio prielaidos: 1) Galioja plokščiųjų pjūvių hipotezė. 2) Gniuždomasis betonas ir strypinė armatūra yra absoliučiai tamprūs (galioja Hooke’o dėsnis). Panagrinėkime armuoto betono elementą, veikiamą lenkimo momento M, kurio deformacijų ir įtempių diagramos pateiktos 1 pav. c)

matyti, jog sijos statmenajame pjūvyje veikia šios vidinės atstojamosios jėgos: gniuždomojo betono, gniuždomosios bei tempiamosios

armatūros ir tempiamojo betono, kurios atitinkamai žymimos Nc, Nsc, Ns, Nts. Nts yra betono įtempių atstojamoji dėl betono tempiamojo

standėjimo (ang. tension stiffening), tempiamojo betono gebėjimo perimti įtempius plyšyje (ang. tension so􀀍ening) bei tampriųjų betono

deformacijų, o tariamasis šios jėgos veikimo taškas yra ties tempiamojo betono svorio centru. Dėl tempiamojo betono stochastines prigimties, Nts parametro nustatymas yra laikomas vienu sunkiausių įlinkių bei deformacijų analizės uždavinių. Tačiau pritaikius projekto vadovo pasiūlytą modeliavimo koncepciją, šį dydį galima nesunkiai nustatyti remiantis eksperimentiniu lenkiamojo momento ir kreivio sąryšiu. 2 pav. a) pateikti sijų, armuotų skirtingu plaušo tūriu lenkiamojo momento ir kreivio priklausomybės grafikai. 2 pav. b) Nts išreiškiama Nts/(frbh), čia b ir h - atitinkamai skerspjūvio plotis ir aukštis, fr - lenkiamasis stipris. 2 pav. b) matyti, jog sijos, armuotos didesniu plaušo tūriu (Vf), pasižymi ryškesne tempiamojo standėjimo elgsena. Svarbu pastebėti, jog normalizuotos jėgos Nts funkcija tam tikrame taške β0 kerta horizontalią M/Mcr ašį. Šis sankirtos taškas nusako tempiamojo standėjimo įtaką lenkiamajam elementui, o šį tašką atitinkanti lenkiamojo momento β0Mcr reikšmė reprezentuoja visiškai supleišėjusio elemento standį (Nts yra lygus nuliui). Dėl šios priežasties anksčiau minėtą 3 prielaidą siūloma patikslinti:

3 prielaida: Lenkiamojo standžio reikšmė pasiekiama lenkiamajam momentui esant β0Mcr.

Siūlomo modelio koncepcija pavaizduota 3 pav. Teorinė lenkiamojo momento ir kreivio priklausomybės funkcija gaunama žinant du charakteringus taškus – 1 ir 2, kurių koordinates nustatyti yra visiškai nesudėtinga. 1 taškas reprezentuoja lenkimo momentą Mcr ir atitinka kreivį κ1, kuris apskaičiuojamas atsižvelgiant į visiškai tampraus (nesupleišėjusio) lenkiamojo elemento standį. 2 taškas reprezentuoja lenkimo momentą M2=β0Mcr ir atitinka kreivį κ2, kuris apskaičiuojamas atsižvelgiant į visiškai supleišėjusio lenkiamojo elemento standį.

Projekto metu bus pasiūlyti kreivių, įlinkių bei armatūros vidutinių deformacijų modeliai įvairiems hibridinio armavimo atvejams. Anksčiau atliktuose panašaus pobūdžio tyrimuose buvo pastebėta, jog armuoto betono sijoms, nepriklausomai nuo pjūvio geometrinių ir medžiagų parametrų, koeficientas β0 yra pastovus ir lygus 3. Dėl šios priežasties buvo pasiūlytas visiškai paprastas įlinkių modelis. Atlikus preliminarų polimeriniais strypais armuotų sijų analizę, taip pat buvo nustatytas pastovus β0 koeficientas (=2,5). Tačiau plaušu armuotų sijų atveju, β0 priklausys nuo plaušo charakteristikų: plaušo tūrio, ilgio ir skersmens santykio, pluošto formos ir t. t. (2 ir 3 pav.). Projekte taip pat bus nagrinėjami didelio stiprumo armatūros, lengvojo ir didelio stiprumo betono, polimerinių pluoštų ir ilgalaikio poveikio (valkšnumo ir susitraukimo) atvejai.

2 pav. Atstojamosios jėgos Nts skaičiavimas

3 pav. Siūlomas kreivio modelis