Oceľovými vláknami vystužený betón (SFRC) na ostenie tunela
Správanie sa pri vyťahovaní vlákna sa študuje experimentálne, berúc do úvahy faktory, ako je tvar vlákna, veľkosť a uhol sklonu. Okrem toho nasledujúce časti predstavujú experimenty a zodpovedajúce numerické modely vytvorené na úplný opis oceľových vlákien betónového obloženia.
2. Oceľovovláknitý betón pod lokálnym plošným zaťažením
Ako už bolo spomenuté v úvode, segmenty ostenia sú počas výstavby a záverečných etáp vystavené vysoko koncentrovanému zaťaženiu (tj lokálnemu plošnému zaťaženiu). Výsledné ťahové napätia v dôsledku prasklín sú často rozhodujúcim faktorom pri návrhu a musia sa odolávať vhodným vystužením. Použitie oceľového vláknobetónu môže zvýšiť únosnosť a priaznivo ovplyvniť lomové správanie pri takýchto situáciách sústredeného zaťaženia. Pre realizáciu optimálnej aplikácie oceľovovláknitého betónu, najmä v segmentoch ostenia, bola vykonaná systematická experimentálna a numerická štúdia nosného a lomového správania oceľovovláknitého betónu pri čiastočnom zónovom zaťažení.
(1) Experimentálny výskum na VFRK pri lokálnej záťaži
Aby sa charakterizovalo nosné a lomové správanie SFRC pri lokalizovanom regionálnom zaťažení, bol vykonaný experiment v plnom rozsahu obsahujúci rôzne parametre nesúvisiace s vláknami a súvisiace s vláknami. Premenné nesúvisiace s vláknami zahŕňajú pevnosť betónu, veľkosť vzorky, pomer plochy a excentricitu zaťaženia. Ďalej sa uvažujú lokálne plošné zaťaženia rozložené priestorovo (tj bodové zaťaženia) a plošne (tj pásové zaťaženia), pričom sa berú do úvahy dve relevantné sústredené situácie zaťaženia vyskytujúce sa v obvodových a pozdĺžnych spojoch segmentov ostenia. Faktory súvisiace s vláknami zahŕňajú vlastnosti vlákna (napr. pevnosť, veľkosť, geometriu a pomer strán), obsah a orientáciu vlákna a kombinácie rôznych typov vlákien (tj zmesi vlákien).
Študovaný návrh betónovej základnej zmesi je rovnaký ako ten, ktorý sa bežne používa v segmentoch obloženia.
Na príklade vzorky s rozmermi 150 mm x 150 mm x 300 mm je demonštrované skúšobné zariadenie pre lokálne plošné zaťaženie.
Vplyv rôznych parametrov na nosné a lomové správanie sa skúmal analýzou konečného lokálneho napätia v tlaku (tj medznej únosnosti), odozvy na napätie a posunu a charakteristík porúch a prasklín. Ďalej sú uvedené niektoré hlavné výsledky a kľúčové zistenia.
(2) Pomer plochy a množstvo pridaného vlákna
Pri pôsobení lokálneho plošného zaťaženia v koncentrickom priestore sa pomer plochy (= /=2.25, 4, 9 a 16) a pridanie vlákna (60 kg/m3 oceľové vlákno s hákovým koncom) majú rôzne účinky na lokálne tlakové napätie a pozdĺžny vzťah vysokopevnostného betónu (=84.5 MPa). Vplyv odozvy na posun. Všimnite si, že v nasledujúcich štúdiách je lokálne tlakové napätie definované ako aplikované zaťaženie delené zaťaženou plochou.
Z krivky napätie-posunutie je zrejmé, že pridanie oceľových vlákien môže výrazne zvýšiť konečné miestne tlakové napätie betónu (až o 47 %). V porovnaní s bežným betónom je vidieť, že vplyv oceľových vlákien na únosnosť je výraznejší pri vyšších plošných pomeroch.
Ako sa očakávalo, konečné miestne tlakové napätie prostého betónu a betónu s oceľovými vláknami tiež výrazne narastá so zvyšujúcim sa pomerom plôch, čo je spôsobené efektom obmedzenia okolitého betónu. V prípade lokálnych plošných zaťažení v priestore možno jednoznačne určiť proporcionálny vzťah medzi medzným lokálnym tlakovým napätím a druhou odmocninou plošného pomeru. Pretože obmedzovací účinok je neúplný v prípade plošného plošného zaťaženia, zvýšenie konečného lokálneho tlakového napätia je relatívne nízke. V tomto prípade sa zistilo, že je úmerná druhej mocnine pomeru plochy. Tieto korelácie poskytujú základ pre výpočet lokálnych napätí, ktorým môže vysokopevnostný SFRC odolať.
Krátko po dosiahnutí maximálneho napätia krivka napätie-posunutie PC ukázala prudký pokles, čo naznačuje, že vzorka bola počas testu náhle poškodená. Na rozdiel od toho, SFRC vykazuje charakteristiku postupne klesajúceho napätia so zvyšujúcim sa posunom, čo zodpovedá správaniu sa pri tvárnom porušení. V prípade rovinného rozloženia čiastočného plošného zaťaženia je tento efekt menej zrejmý, pretože nie je úplne obmedzený.
Typické režimy lomu vysoko pevných vzoriek PC a SFRC so zodpovedajúcimi krivkami napätia a posunu. Celkovo nebolo pozorované žiadne viditeľné praskanie alebo odlupovanie pre PC a SFRC až do blízkosti konečného zaťaženia. Čoskoro potom všetky vzorky PC zlyhali vo viac-menej fragmentovaných podmienkach, najmä v prípade vysokopevnostného betónu, s prudkým poklesom krivky zaťaženia a posunu. V prípade veľkých pomerov plôch sa počas testu vyvinula jediná veľká štiepna trhlina, ktorá prenikla bočným povrchom až ku dnu, zatiaľ čo pri malých pomeroch plôch sa PC vzorka úplne zrútila. Na rozdiel od toho si všetky vzorky SFRC zachovali svoju integritu až do konca testu a vykazovali viaceré vzory trhlín. Pri veľkom plošnom pomere sa trhliny spolu s malým množstvom odlupovania betónu vyskytovali hlavne v hornej časti vzorky z SFRC. Keď sa pomer plôch znižuje, praskliny a odlupovanie majú tendenciu sa viac a viac vytvárať aj v dolnej polovici.
(3) Typ a zmes vlákna
Zo štúdia vyťahovacieho správania oceľových vlákien možno usudzovať, že vlastnosti vlákien majú významný vplyv aj na nosné a lomové správanie SFRC pri lokálnom plošnom zaťažení. Je znázornené konečné lokálne napätie v tlaku vysokopevnostného SFRC pripraveného s použitím rôznych typov oceľových vlákien pri obsahu vlákien 60 kg/m3 (priestorové rozloženie zaťaženia, δ=9). V porovnaní s PC sa zvýšená miera konečného lokálneho tlakového napätia pohybuje od 28 % do 51 %. Ako sa očakávalo, veľkorozmerné vlákna s vysokou pevnosťou na háku (Lh60) sa javili ako najúčinnejšie pri zvyšovaní konečnej nosnosti. Testom sa však zistilo, že SFRC pripravený s použitím vysokopevnostných veľkorozmerných vlákien zvýšil maximálnu nosnosť len o 15 % v porovnaní s SFRC pripraveným s normálnymi pevnými veľkorozmernými vláknami (L60), hoci výsledky vyťahovacia skúška ukázala, že konečná únosnosť vlákna s vysokou pevnosťou Zaťaženie pri vyťahovaní je takmer dvojnásobné v porovnaní s vláknami s normálnou pevnosťou.
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). Štúdie rôznych zmesí vlákien ukázali, že pri takýchto zaťažovacích podmienkach sa ako najvýhodnejšia ukázala kombinácia mikrovlákien s háčikovým koncom a rovných vlákien. Hoci konečné miestne tlakové napätie dvoch porovnávaných zmesí vlákien je takmer rovnaké, možno vidieť, že SFRC s 50 % veľkých vlákien a 50 % mikrovlákien (SFRC L60+S60) má ťažnejšie správanie. v štádiu po prasknutí (v porovnaní s SFRC L40+M40+S40). Vzhľadom na výstužný účinok vláknitej zmesi je jej pozitívny vplyv na nosné a lomové správanie evidentný najmä pri lokálnom excentrickom zaťažení.
(4) Orientácia vlákna
Je dobre známe, že vlákna usporiadané v smere ťahového napätia majú najlepšiu schopnosť premosťovať trhliny. Pri lokálnom plošnom zaťažení ťahové napätie z trhliny kolmé na smer zaťaženia zvyčajne obmedzuje prípustné lokálne tlakové napätie a dominuje v režime porušenia. Preto možno očakávať, že orientácia vlákien bude mať významný vplyv na nosné a lomové správanie SFRC pri lokalizovanom zaťažení. Na štúdium tohto efektu sa orientácia vlákien kontrolovala výrobou vzoriek vo vertikálnom a horizontálnom debnení a na SFRC sa vykonali testy lokálneho zaťaženia.
Percento oceľových vlákien (60 kg/m3 hákových veľkorozmerných vlákien) v troch priestorových smeroch (x, y, z) vzhľadom na smer zaťaženia bolo merané elektromagnetickým zariadením a vzorky SFRC pripravené vertikálnymi a horizontálnymi formami boli porovnávané. (150 mm x 150 mm x 300 mm). Vo vzorke horizontálnej formy bolo približne 46 % vlákien orientovaných v smere zaťaženia. Preto je v porovnaní so stojacimi vzorkami menej vlákien orientovaných v dvoch smeroch kolmých na smer zaťaženia, ktoré zodpovedajú hlavným smerom ťahového napätia lokálneho plošného rozloženia zaťaženia. Výsledky ukazujú, že konečná hodnota lokálneho napätia v tlaku vzorky pripravenej v horizontálnej forme je výrazne znížená (až o 23 %). Okrem toho, po dosiahnutí maximálneho miestneho tlakového napätia je krivka napätie-posunutie charakterizovaná prudkým poklesom napätia, pričom vykazuje menej tvárne správanie pri porušení. Tento efekt bol preukázaný aj v experimentálnom prípade nezávislých pomerov plôch.
Pri lokálnom plošnom zaťažení je vplyv na dominantnú orientáciu vlákien v závislosti od smeru liatia (vertikálne/horizontálne debnenie) výraznejší, keďže v tomto prípade hlavné ťahové napätia pôsobia predovšetkým v priečnom smere (kolmo na smer zaťaženia).
• Veľkosť vlákna:
Na úrovni jednotlivých vlákien a matrice je správanie jednotlivých vlákien pri vyťahovaní riadené podmienkami rozhrania, tvarom vlákna a uhlom sklonu vlákna vzhľadom na trhlinu. Bol vyvinutý semianalytický model, ktorý predpovedá vzťah vyťahovacej sily a posunutia jedného vlákna, ktorý závisí od polohy ťažiska vlákna a uhla sklonu vzhľadom na rovinu trhliny. Model je schopný zachytiť hlavné mechanizmy aktivované počas procesu vyťahovania jedného oceľového vlákna uloženého v betónovej matrici (rovnanie hákového konca, odlupovanie betónu a lámanie vlákna), pričom berie do úvahy rôzne konfigurácie typu a sily vlákna, pevnosť betónu, uhol sklonu vlákien a dĺžka uloženia.
• Veľkosť trhliny:
Na úrovni prasklín vo vláknobetónovom kompozite sa vlákna prechádzajúce cez trhliny aktivujú a poskytujú zvyškovú pevnosť po vzniku trhlín, ktorá je závislá od obsahu vlákien a orientácie vlákien. Vo viacúrovňovom modeli SFRC je odozva po prasknutí aproximovaná metódou oddeľovania natiahnutím, ktorá zohľadňuje smery anizotropie vlákien integráciou vzťahov vyťahovacej sily a posunutia všetkých jednotlivých vlákien prechádzajúcich trhlinou.
• Konštrukčné rozmery:
V štrukturálnom meradle je správanie po pretrhnutí zachytené prostredníctvom modelu diskrétnej trhliny založeného na kondenzovaných prvkoch rozhrania. Prvky rozhrania sú vložené medzi pravidelné konečné prvky (objemové prvky), ktoré umožňujú diskrétne mapovanie zlomov a priamo poskytujú informácie o šírke trhliny. Správanie sa prvkov rozhrania je riadené pravidlami oddeľovania natiahnutím odvodeným z viacúrovňových modelov SFRC v mierke trhlín. Aby sa zohľadnila prítomnosť oceľových tyčí, bola vyvinutá aj reprezentácia diskrétnych oceľových tyčí nezávislá od siete. Oceľové prúty sú modelované ako priehradové prvky a spojené s betónovou matricou prostredníctvom väzieb umiestnených medzi riadiacimi bodmi na oceľových prútových prvkoch a ich projekčnými bodmi vo vložených objemových prvkoch. Mechanizmus väzby-sklzu je poskytnutý v obmedzeniach a uvažuje sa o elasticko-plastickej v. Misesovej klznej ploche a lineárnom kalení ocele.
