Beton armat cu fibre de oțel (SFRC) pentru căptușeala tunelului
Comportamentul la tragerea fibrei este studiat experimental, luând în considerare factori precum forma fibrei, dimensiunea și unghiul de înclinare. În plus, următoarele secțiuni prezintă experimentele și modelele numerice corespunzătoare stabilite pentru a descrie complet căptușeala din beton din fibre de oțel.
2. Beton din fibre de oțel sub sarcină locală
După cum sa menționat în introducere, segmentele de căptușeală sunt supuse unor sarcini foarte concentrate (adică sarcini locale) în timpul construcției și etapelor finale. Tensiunile de întindere la fisurare care rezultă sunt adesea un factor decisiv în proiectare și trebuie rezistate printr-o armătură adecvată. Utilizarea betonului armat cu fibre de oțel poate crește capacitatea portantă și poate influența pozitiv comportamentul la rupere în astfel de situații de încărcare concentrată. Pentru a realiza aplicarea optimă a betonului din fibre de oțel, în special în segmentele de căptușeală, a fost efectuat un studiu experimental și numeric sistematic asupra comportamentului portant și la rupere a betonului din fibre de oțel sub încărcare parțială a zonei.
(1) Cercetări experimentale privind SFRC sub sarcină locală
Pentru a caracteriza comportamentul portant și la rupere a SFRC sub încărcare regională localizată, a fost efectuat un experiment la scară completă care conține parametri variabili care nu sunt legați de fibre și legați de fibre. Variabilele care nu sunt legate de fibre includ rezistența betonului, dimensiunea probei, raportul de suprafață și excentricitatea sarcinii. În plus, sunt luate în considerare sarcinile de suprafață locale distribuite spațial (de exemplu, sarcinile punctuale) și zonal (adică, încărcările pe bandă), ținând cont de două situații relevante de încărcare concentrată care apar în îmbinările circumferențiale și longitudinale ale segmentelor de căptușeală. Factorii legați de fibre includ proprietățile fibrelor (de exemplu, rezistența, dimensiunea, geometria și raportul de aspect), conținutul și orientarea fibrelor și combinații de diferite tipuri de fibre (de exemplu, amestecuri de fibre).
Designul amestecului de bază de beton studiat este același cu cel utilizat în mod obișnuit în segmentele de căptușeală.
Luând ca exemplu un eșantion de 150 mm x 150 mm x 300 mm, este demonstrat dispozitivul de testare pentru încărcarea în zonă locală.
Influența diverșilor parametri asupra comportamentului portant și la rupere a fost investigată prin analiza tensiunii finale locale de compresiune (adică, capacitatea portantă finală), a răspunsului la efort-deplasare și a caracteristicilor de rupere și fisurare. În continuare, sunt prezentate câteva rezultate principale și constatări cheie.
(2) Raportul suprafeței și cantitatea de adaos de fibre
Sub acțiunea sarcinii locale în spațiul concentric, raportul de suprafață (= /=2.25, 4, 9 și 16) și adăugarea de fibre (60 kg/m3 fibre de oțel la capătul cârligului) au efecte diferite asupra tensiunii locale de compresiune și a relației longitudinale a betonului de înaltă rezistență (=84.5 MPa). Efectul răspunsului la deplasare. Rețineți că, în studiile următoare, efortul de compresiune local este definit ca sarcina aplicată împărțită la aria încărcată.
Din curba efort-deplasare se poate observa că adăugarea de fibre de oțel poate crește semnificativ efortul de compresiune local final al betonului (până la 47%). În comparație cu betonul obișnuit, se poate observa că influența fibrelor de oțel asupra capacității portante este mai semnificativă la rapoarte de suprafață mai mari.
După cum era de așteptat, efortul de compresiune local final al betonului simplu și al betonului cu fibre de oțel crește semnificativ odată cu creșterea raportului de suprafață, ceea ce se datorează efectului de izolare al betonului din jur. În cazul încărcărilor locale din spațiu, relația proporțională dintre efortul de compresiune local final și rădăcina pătrată a raportului de suprafață poate fi clar determinată. Deoarece efectul de reținere este incomplet în cazul încărcării în plan local, creșterea tensiunii de compresiune locală finală este relativ scăzută. În acest caz, se constată că este proporțională cu rădăcina cubă a raportului de suprafață. Aceste corelații oferă o bază pentru calcularea tensiunilor locale pe care le poate rezista SFRC de înaltă rezistență.
La scurt timp după atingerea tensiunii maxime, curba efort-deplasare a PC-ului a arătat o scădere bruscă, ceea ce indică faptul că specimenul a fost deteriorat brusc în timpul testului. În schimb, SFRC prezintă caracteristica scăderii treptate a tensiunii odată cu creșterea deplasării, corespunzătoare comportamentului de rupere ductilă. În cazul distribuției plane a sarcinii parțiale, acest efect este mai puțin evident deoarece nu este complet constrâns.
Moduri tipice de fractură ale specimenelor PC și SFRC de înaltă rezistență, cu potrivirea corespunzătoare a curbelor de deplasare a tensiunii. În general, nu s-a observat nicio fisurare sau despicare vizibilă pentru PC și SFRC până aproape de sarcina finală. La scurt timp după, toate specimenele de PC au cedat în condiții mai mult sau mai puțin fragmentate, în special în cazul betonului de înaltă rezistență, cu o scădere bruscă a curbei sarcină-deplasare. Pentru rapoarte de suprafață mari, o singură fisură majoră de despicare s-a dezvoltat pe parcursul testului și a pătruns pe suprafața laterală până în jos, în timp ce la rapoarte de suprafață mici, specimenul de PC sa prăbușit complet. În schimb, toate specimenele SFRC și-au menținut integritatea până la sfârșitul testului și au prezentat mai multe modele de fisuri. Într-un raport de suprafață mare, fisurile împreună cu o cantitate mică de despicare a betonului au avut loc în principal în partea superioară a specimenului SFRC. Pe măsură ce raportul de suprafață scade, fisurile și despicarea tind să se dezvolte din ce în ce mai mult și în jumătatea inferioară.
(3) Tipul și amestecul de fibre
Din studiul comportamentului la tragere a fibrelor de oțel, se poate deduce că proprietățile fibrelor au, de asemenea, un impact semnificativ asupra comportamentului portant și la rupere a SFRC sub încărcare locală. Este prezentată efortul de compresiune local final al SFRC de înaltă rezistență preparat folosind diferite tipuri de fibre de oțel la un conținut de fibre de 60 kg/m3 (distribuția spațială a sarcinii, δ=9). Comparativ cu PC-ul, rata crescută a tensiunii de compresiune locală finală variază de la 28% la 51%. După cum era de așteptat, fibrele de mărime mare cu capăt de cârlig de înaltă rezistență (Lh60) au părut a fi cele mai eficiente în creșterea capacității finale de transport a sarcinii. Cu toate acestea, testul a constatat că SFRC preparat folosind fibre de înaltă rezistență de dimensiuni mari a crescut doar capacitatea finală de transportare a sarcinii cu 15% în comparație cu SFRC preparat cu fibre de dimensiuni mari de rezistență normală (L60), deși rezultatele Testul de tragere a arătat că capacitatea maximă de susținere a fibrei de înaltă rezistență Sarcina de extragere este aproape de două ori mai mare decât a fibrelor de rezistență normală.
For SFRC prepared using fiber blends, positive synergistic effects can be observed for certain combinations of fiber types. In high-strength concrete, however, this effect is only evident at relatively high fiber contents (>80-100 kg/m3). Studiile asupra diferitelor amestecuri de fibre au arătat că combinația de microfibre cu cârlig și fibre drepte s-a dovedit a fi cea mai avantajoasă în astfel de condiții de încărcare. Deși stresul de compresiune local final al celor două amestecuri de fibre comparate este aproape același, se poate observa că SFRC cu 50% fibre de dimensiuni mari și 50% microfibre (SFRC L60+S60) are un comportament mai ductil. în etapa post-fisurare (Comparativ cu SFRC L40+M40+S40). Datorită efectului de armare al amestecului de fibre, influența sa pozitivă asupra comportamentului portant și la rupere este deosebit de evidentă pentru încărcarea excentrică locală.
(4) Orientarea fibrelor
Este bine cunoscut faptul că fibrele aliniate de-a lungul direcției tensiunii de tracțiune au cea mai bună capacitate de a legături fisurilor. În cazul încărcării locale, efortul de tracțiune la fisurare perpendicular pe direcția de încărcare limitează de obicei efortul de compresiune local tolerabil și domină modul de rupere. Prin urmare, se poate aștepta ca orientarea fibrelor să aibă un impact semnificativ asupra comportamentului portant și la rupere a SFRC sub încărcare localizată. Pentru a studia acest efect, orientarea fibrelor a fost controlată prin producerea de specimene în cofraj vertical și orizontal, iar testele de încărcare locală au fost efectuate pe SFRC.
Procentul de fibre de oțel (60 kg/m3 fibre de dimensiuni mari cu capăt de cârlig) în trei direcții spațiale (x, y, z) în raport cu direcția de încărcare a fost măsurat cu echipamente electromagnetice, iar specimenele SFRC pregătite cu matrițe verticale și orizontale. au fost comparate. (150 mm x 150 mm x 300 mm). În specimenul de matriță orizontală, aproximativ 46% din fibre au fost orientate în direcția de încărcare. Prin urmare, în comparație cu specimenele în picioare, mai puține fibre sunt orientate de-a lungul a două direcții perpendiculare pe direcția de încărcare, care corespund direcțiilor principale ale tensiunilor de tracțiune ale distribuției locale a sarcinii. Rezultatele arată că valoarea finală a tensiunii de compresiune locală a probei preparate în matrița orizontală este redusă semnificativ (până la 23%). În plus, după atingerea tensiunii de compresiune locală finală, curba efort-deplasare este caracterizată printr-o scădere bruscă a tensiunii, prezentând un comportament de rupere mai puțin ductil. Acest efect a fost demonstrat și în cazul experimental al rapoartelor de suprafață independente.
În cazul încărcării în zonă, influența asupra orientării dominante a fibrelor în funcție de direcția de turnare (cofraj vertical/orizontal) este mai semnificativă, întrucât în acest caz tensiunile principale de întindere acționează în primul rând pe direcție transversală (perpendiculară pe sensul de încărcare).
• Dimensiunea fibrei:
La nivelurile individuale ale fibrei și ale matricei, comportamentul la extragere al fibrelor individuale este controlat de condițiile de interfață, forma fibrei și unghiul de înclinare a fibrei în raport cu fisura. A fost dezvoltat un model semi-analitic care prezice relația forță de tragere-deplasare a unei singure fibre, care depinde de poziția centrului de greutate al fibrei și unghiul de înclinare față de planul fisurii. Modelul este capabil să surprindă principalele mecanisme activate în timpul procesului de extragere a unei singure fibre de oțel înglobate într-o matrice de beton (îndreptarea capătului cârligului, ruperea betonului și ruperea fibrei), ținând cont de diferitele configurații ale tipului și rezistenței fibrei, rezistența betonului, unghiul de înclinare a fibrei și lungimea de încorporare.
• Dimensiunea fisurii:
La nivelul fisurilor de fisurare din compozitul de beton armat cu fibre, fibrele care trec prin fisuri sunt activate și oferă o rezistență reziduală post-fisurare care depinde de conținutul de fibre și de orientarea fibrei. În modelul SFRC pe mai multe niveluri, răspunsul după fisurare este aproximat printr-o metodă de separare prin întindere care ține cont de direcțiile anizotropiei fibrelor prin integrarea relațiilor forță de tragere-deplasare ale tuturor fibrelor individuale care trec prin fisura.
• Dimensiuni structurale:
La scară structurală, comportamentul post-ruptură este surprins printr-un model de fisură discret bazat pe elemente de interfață condensate. Elementele de interfață sunt inserate între elementele finite obișnuite (elementele de volum), care permit cartografierea discretă a fracturilor și oferă direct informații despre lățimea fisurilor. Comportarea elementelor de interfață este guvernată de regulile de separare prin întindere derivate din modele SFRC pe mai multe niveluri la scara fisurii. Pentru a lua în considerare prezența barelor de oțel, a fost dezvoltată și o reprezentare bazată pe contact independentă de plasă a barelor de oțel discrete. Barele de oțel sunt modelate ca elemente de ferme și cuplate la matricea de beton prin constrângeri situate între punctele de control ale elementelor de bară de oțel și punctele lor de proiecție în elementele de volum încorporate. Mecanismul de lipire-alunecare este prevăzut în constrângeri, iar suprafața de curgere v.Mises elastic-plastică și călirea liniară a oțelului sunt luate în considerare.
