Projekto rezultatai

Šiame darbe išnagrinėta hibridiškai armuotų gelžbetoninių elementų deformacinė elgsena, betono ir armatūros sąveika bei pleišėjimo prognozavimas. Tyrimas apima keturias pagrindines kryptis: supaprastinto momento ir kreivio modelio sukūrimą R/SFRC sijoms, pasiūlyto modelio palyginimą su kitais analitiniais ir normatyviniais metodais bei mezolygmens skaitinį betono ir armatūros sąveikos tyrimą bei plyšio pločio prognozavimo modeliu.

1. Pirmoje darbo dalyje sukurtas nesudėtingas hibridiškai armuotų lenkiamųjų elementų momento ir kreivio modelis. Plieno plaušais armuotas betonas žymimas SFRC, o R/SFRC reiškia konstrukcijas, armuotas tiek strypine armatūra (plienine ir/arba kompozitine), tiek plieno plaušais. Modelis grindžiamas dvilinijine momento ir kreivio diagrama, kurią apibrėžia du charakteringieji taškai: pleišėjimo pradžios taškas (M1, κ1) ir visiškai supleišėjusios būsenos taškas (M2 ,κ2). Pirmasis taškas nusako nesupleišėjusio elemento standį, o antrasis – supleišėjusio skerspjūvio standį. Lenkimo momentui M2 nustatyti taikytas atvirkštinio skaičiavimo metodas, leidžiantis pagal eksperimentinį momento ir kreivio ryšį apskaičiuoti tempiamojo betono atstojamąją įrąžą. Regresinė analizė, atlikta naudojant 36 eksperimentinių sijų duomenis, parodė, kad svarbiausi koeficientą γ2​ lemiantys veiksniai yra plaušų tūrinė dalis ir plaušų liaunumo koeficientas. Analogiškai, pleišėjimo momento M1 koeficientui γ1​ nustatyti buvo panaudoti 79 eksperimentinių bandinių duomenys. Nustatyta, kad γ1​ daugiausia priklauso nuo betono tempiamojo stiprio, plaušų tūrinės dalies, plaušų liaunumo koeficiento ir skerspjūvio pločio. Remiantis šiais ryšiais, pasiūlytas trumpalaikio ir ilgalaikio apkrovimo kreivio skaičiavimo modelis, įvertinantis ne tik plaušų įtaką, bet ir betono valkšnumą bei traukumą.

2. Antroje darbo dalyje atlikta pasiūlyto kreivių modelio lyginamoji analizė su kitais modeliais. Buvo nagrinėjami supaprastinti modeliai pagal Alsayed, Tan, Campione ir pasiūlytasis Kaklausko ir kt. modelis, taip pat normatyviniai metodai pagal RILEM 162 TDF ir Model Code 2020. Naudojant 64 R/SFRC sijų eksperimentinių duomenų bazę nustatyta, kad siūlomas modelis tiksliausiai prognozuoja kreivį visame apkrovos intervale, ypač vertinant skirtingus armavimo laipsnius. Kai armavimo koeficientas mažas, kitų modelių paklaidos po pleišėjimo reikšmingai išauga, tuo tarpu pasiūlytasis modelis išlaiko gerą tikslumą ir mažesnę rezultatų sklaidą. Atliekant antrąją analizę su 24 sijomis, kurioms buvo žinomos liekamojo stiprio charakteristikos, nustatyta, kad siūlomas modelis ir Campione modelis pasižymi panašiu tikslumu, tačiau siūlomas modelis turi mažiausią variacijos koeficientą. Tai rodo geresnį prognozių stabilumą ir patikimumą praktiniam taikymui.

3. Trečioje darbo dalyje atliktas skaitinis mezolygmens betono ir armatūros sąveikos tyrimas. Eksperimentams pasirinkti trumpi gelžbetoniniai prizminiai bandiniai su centriškai įbetonuotais armatūros strypais. Bandymų metu matuoti plieno deformacijų profiliai leido įvertinti sukibimo ir slinkties dėsningumus. Remiantis eksperimentais, sukurtas trimatis baigtinių elementų modelis programoje „Atena“, kuriame betono ir armatūros sąveika modeliuota specialiais nulinio storio kontakto elementais. Atlikta parametrų jautrumo analizė parodė, kad didžiausią įtaką įtempių perdavimui turi normalinis kontakto standumas. Nustatyta jo priklausomybė nuo armatūros skersmens ir pasiūlytas kontaktinės zonos parametrų modelis, tinkamas skaitinei analizei. Modelio rezultatai gerai sutapo su nepriklausomų autorių eksperimentiniais duomenimis.

4. Ketvirtojoje darbo dalyje pristatytas naujas Grynosios šlyties modelis, skirtas tempiamų ir lenkiamų gelžbetoninių elementų plyšio pločiui prognozuoti. Modelis remiasi prielaida, kad plyšio plotį daugiausia lemia šlyties deformacijos apsauginiame betono sluoksnyje. Išvestos paprastos vidutinio ir didžiausio plyšio pločio formulės buvo patikrintos naudojant tempiamų ir lenkiamų elementų eksperimentines duomenų bazes. Lyginamoji analizė parodė, kad siūlomas modelis pasižymi maža rezultatų sklaida ir konkurencingu tikslumu, lyginant su EC2, Model Code, ACI bei kitais žinomais modeliais. Apibendrinant galima teigti, kad darbe pasiūlyti modeliai sudaro nuoseklią ir praktiškai pritaikomą metodiką hibridiškai armuotų gelžbetoninių elementų deformacijų, sąveikos ir pleišėjimo analizei.

Projekto išvados

1. Supleišėjusių R/SFRC sijų momentų-kreivių elgsena gerai aprašoma tiesine priklausomybe, jungiančia du charakteringus taškus. Taškas 1 apibūdinamas pleišėjimo momentu 𝑀1 ir tampriai nustatomu kreiviu. Taškas 2 nusakomas lenkimo momentu 𝑀2 = 𝛾2 𝑀1 bei kreiviu, nustatomu naudojant pilnai supleišėjusį skerspjūvį. Koeficientas 𝛾2 gaunamas atvirkštiniu būdu iš eksperimentinių kreivių skaičiuojant tempiamojo betono atstojamąją jėgą.

2. Pasiūlytoje formulėje pleišėjimo momentas 𝑀₁ siejamas su plaušų tūriu, jų liauniu (ilgio ir skersmens santykiu), skerspjūvio pločiu ir betono tempiamuoju stipriu, o 𝛾2 išreiškiamas per plaušų tūrį ir liaunį.

3. R/SFRC sijų įlinkių modelių tikslumas priklauso nuo armavimo koeficiento. Esant vidutiniam ir dideliam armavimo koeficientui (ρ > 0,5 %), supaprastintų modelių variacijos koeficientas (CV) svyravo nuo 15 % iki 17,4 %. Esant mažam armavimo koeficientui (ρ ≤ 0,5 %), CV beveik padvigubėjo ir kito nuo 31,6 % iki 35,1 %.

4. Esant vidutiniam ir dideliam armatūros santykiui (ρ > 0,5 %), visi supaprastinti modeliai parodė pakankamai geras prognozavimo savybes tiek tikslumo, tiek preciziškumo požiūriu. Visų modelių vidurkiai visais apkrovimo lygiais buvo artimi vienetui: siūlomojo modelio - 0,99, Alsayed - 0,96, Campione bei Tan ir kt. - 0,94. Kalbant apie preciziškumą, buvo gauti tokie CV: 15 % (siūlomas modelis), 16,4 % (Tan ir kt.), 17,2 % (Alsayed) ir 17,4 % (Campione).

5. Esant mažam armatūros santykiui (ρ ≤ 0,5 %), siūlomasis ir Campione modeliai vidutiniškai pervertino bandymų rezultatus atitinkamai 9,7 % ir 10,7 %, tuo tarpu kiti du modeliai - Alsayed ir Tan ir kt., paremti originalia Bransono metodika, – pateikė nesaugias vidutines prognozes: atitinkamai 0,845 ir 0,655.

6. Siūlomas modelis pasižymėjo mažiausia sklaida ir didžiausiu preciziškumu visame nagrinėtų parametrų intervale.

7. Nors tarptautiniai normatyviniai dokumentai, tokie kaip RILEM 162 TDF ir Model Code 2020, remiasi eksperimentiniais liekamaisiais stipriais, jie nepranoko supaprastintų modelių nei tikslumu, nei preciziškumu.

8. 3D skaitinis armatūros ir betono sąveikos tyrimas atskleidė sudėtingus jėgos perdavimo mechanizmus armuotame betone, parodant, kad perdavimo efektyvumas labai priklauso nuo svarbiausių kontakto zonos parametrų – normalinio ir tangentinio standumo.

9. Sukibimo indekso reikšmė tiesiogiai priklauso nuo armatūros geometrijos. Armatūros rumbelio aukštis buvo identifikuotas kaip vienas iš pagrindinių veiksnių, turintis įtakos sukibimo indekso reikšmei, taigi ir plieno deformacijų profilių standumui, tuo tarpu armatūros rumbelio plotis ir kampas turėjo mažesnį poveikį.

10. Normalinis kontakto standumas buvo identifikuotas kaip pagrindinis parametras, lemiantis įtempių perdavimą sąveikos zonoje, o tangentinio standumo reikšmė priklauso nuo normalinio kontakto standumo. Įrodyta, kad normalinis kontakto standumas tiesiogiai koreliuoja su armatūros strypo skersmeniu.

11. Tyrimo rezultatai leido suformuluoti praktines rekomendacijas kontakto zonos efektyviam modeliavimui. Kontakto paviršiaus baigtinių elementų tinkelio akutės dydis neturėtų viršyti armatūros rumbelio aukščio (turėtų būti tos pačios eilės dydis), o betono elementų tinklo dydis turėtų būti mažesnis nei 15 mm arba viena dvidešimtoji skerspjūvio matmens, pasirenkant mažesnįjį dydį.

12. Tyrimas parodė, kad armatūra gali būti laikoma visiškai suvaržyta, kai betono apsauginio sluoksnio ir skersmens santykis (c/db) viršija 4,0. Palyginimui Model Code 2020 taiko konservatyvesnę ribą - c/ db > 5,0. Šios išvada gali turėti įtakos gelžbetoninių skerspjūvių projektavimui.

13. Naujai pasiūlytas Grynosios šlyties modelis, skirtas armuotų betono elementų plyšio pločio prognozavimui, yra analitiškai išvestas ir naudoja tik vieną empirinį parametrą, išreikštą konstanta. Pasiūlytasis modelis ne tik ne tik nenusileidžia projektavimo normų metodams tikslumu, bet ir yra žymiai paprastesnis už juos.