Oblouk nebo působení tlakové membrány ve železobetonových deskách - Arching or compressive membrane action in reinforced concrete slabs - Wikipedia

Idealizace vyklenovacích akčních sil v bočně zadržené desce

Klenutí nebo působení tlakové membrány (CMA) ve železobetonových deskách dochází v důsledku velkého rozdílu mezi tahové a pevnost v tlaku betonu. Praskání betonu způsobuje migraci neutrální osy, která je doprovázena rovinnou expanzí desky na jejích hranicích. Pokud je tato přirozená tendence k expanzi omezena, vývoj vyklenutí zvyšuje sílu desky. Termín vyklenovací akce se běžně používá k popisu vyklenovacího jevu v jednosměrných překlenovacích deskách a působení kompresní membrány se obvykle používá k popisu vyklenutého jevu v obousměrných překlenovacích deskách.

Pozadí

Vyklenutí akčních sil v trámové a deskové mostovce

Účinky zesilující akce při vyklenutí ve Windows železobeton podlahy byly poprvé rozpoznány na začátku minulého století.[1] To však nebylo až do úplných ničivých zátěžových testů Ocklestona[2][3] ve Staré zubní nemocnici v Liberci Johannesburg že rozsah posílení síly způsobený vyklenutím byl skutečně oceněn. V těchto testech sbalte zátěže mezi 3 a 4násobkem zatížení předpovězeného teorií výnosové čáry[4] byly obdrženy.

Vylepšení pevnosti v oblouku (CMA) v bočně zadrženém pásu desky

Přístupy k léčbě vyklenutí (CMA)

Od 50. let 20. století došlo k několika pokusům vyvinout teorie pro vyklenutí akce v jednosměrných i obousměrných deskách.[5][6][7] Jedním z hlavních přístupů k působení membrány byl přístup způsobený Parkem[8] který se používal jako základ pro mnoho studií vyklenutí v deskách. Parkův přístup byl založen na teorii pruhů pevných plastových desek a vyžadoval předpoklad kritického vychýlení jedné poloviny hloubky desky při porušení. Parkův přístup byl později rozšířen Parkem a Gambleem[9] v jejich metodě pro predikci plastické odezvy na zatížení-deformace bočně zadržovaných desek.

V roce 1971 Americký betonový institut[10] vytvořila speciální publikaci, která představila nejnovější výzkum, který se v té době týkal vyklenutí a působení tlakové membrány ve železobetonových deskách.

Braestrup sestavil komplexní přehled literatury a studií rigidně-plastických a elasticky-plastických přístupů k vyklenutí.[11] a Braestrup a Morley.[12] Lahlouh a Waldron[13] byli někteří z prvních výzkumníků, kteří dosáhli určitého stupně úspěchu v modelování jevu pomocí konečných prvků. V roce 1993 Kuang a Morley[14] představil přístup plasticity, který zahrnoval účinek působení tlakové membrány na pevnost ve smyku protlačování příčně zadržovaných betonových desek.

Přístup Spojeného království k CMA v konstrukci mostovky

Ve Velké Británii metoda vyvinutá Kirkpatrick, Rankin & Long[15] v roce 1984 a doloženo testováním mostu v plném rozsahu v roce 1986[16] nejprve vedlo k zavedení nových pravidel pro ekonomický návrh železobetonových nosníků a deskových mostovek v roce 2006 Severní Irsko.[17] Koncept a metoda byly později začleněny Spojeným královstvím Dálniční agentura, do britského konstrukčního manuálu pro silnice a mosty, BD 81/02, „Použití akce kompresní membrány na mostovkách“.[18] Použití této metodiky CMA obvykle vede k podstatným úsporám výztuže v desce nosníku a mostovky desky, pokud jsou splněna určitá omezení a okrajové podmínky.

Selhání děrování v nosníku a desce mostovky
Vzor trhliny na horním povrchu zóny porušení razníku v testu modelu mostovky[19]
Vzor trhliny na spodním povrchu zóny porušení razníku v testu modelu mostovky[19]

Kirkpatrick, Rankin & Long's[15] přístup k predikci zvýšené pevnosti při protlačení desek mostovky byl založen na predikční rovnici pro protlačení protlačování odvozené Longem[20] pro smykový režim selhání protlačení v kombinaci s účinným poměrem výztuže, který představoval zvýšení pevnosti při vyklenutí. Efektivní poměr výztuže byl určen z maximálního momentu odporu v pevně zadrženém betonovém plátu, který Rankin[21] odvozené pro příčně omezené betonové desky od McDowell, McKee a Sevin's[22] teorie deformace vyklenutím pro zdivo. Odvození maximálního vyklenovacího momentu odporu bočně zadržovaných betonových desek mostovky využilo Rankinovo[21] kritérium idealizované pružno-plastické deformace napětí pro beton, platné pro pevnosti betonových válců do minimálně 70 N / mm2, který odvodil na základě Hognestad, Hanson a McHenry[23] konečné parabolické koeficienty napětí pro beton. Adaptace Kirkpatrick, Rankin & Long's[15] metoda předpovědi pevnosti při protlačení pro příčně zadržené desky mostovky, uvedená v BD 81/02,[18] je shrnut takto:

Betonová ekvivalentní síla válce, , darováno:

 

 

 

 

(Rovnice 1)

Hodnota plastické deformace, , idealizovaného elastického plastu je dáno vztahem:

 

 

 

 

(Rovnice 2)

Bezrozměrný parametr, , protože obloukový moment odporu je dán vztahem:

 

 

 

 

(Rovnice 3)

Aby bylo možné považovat desku za omezenou, musí být menší než 0,26. Li je větší než 0,26, bude se s deskou paluby zacházet, jako by byla nepřipoutaná.

Koeficient bezrozměrného vyklenovacího momentu, , darováno:

 

 

 

 

(Rovnice 4)

Efektivní poměr výztuže, , darováno:

 

 

 

 

(Rovnice 5)

Předpokládané konečné zatížení děrování pro jedno kolo, (N), je dáno vztahem:

 

 

 

 

(Rovnice 6)

kde:

  • = průměrná efektivní hloubka do tahové výztuže (mm)
  • = charakteristická pevnost kostky betonu (N / mm2)
  • = celková hloubka desky (mm)
  • = poloviční rozpětí deskového pásu s mezním zadržením (mm)
  • = průměr ložné plochy (mm)
  • = dílčí součinitel bezpečnosti pro pevnost

Další podrobnosti o odvození metody a o tom, jak řešit situace s méně než rigidním bočním omezením, uvádí Rankin[21] a Rankin & Long.[24] Long a Rankin[25] tvrdí, že koncepty vyklenutí nebo působení tlakové membrány v mostních deskách nosníků a desek jsou také použitelné pro ploché deskové a pórobetonové železobetonové konstrukce, kde lze také dosáhnout značného zvýšení pevnosti oproti předpovědím návrhového kódu.

Výzkum vyklenutí nebo působení tlakové membrány pokračoval v průběhu let v Queen's University Belfast, s dílem Niblocka,[26][27] kdo zkoumal účinky CMA u rovnoměrně naložených bočně omezených desek; Brusle,[28] kdo zkoumal CMA v pórobetonových konstrukcích; Červený okr,[29][30] který zkoumal vyklenovací akci v bočně omezených pravoúhlých a T-paprsky; Peel-Cross,[31] kdo zkoumal CMA v konstrukci kompozitních podlahových desek; Taylor[32][33][34] kdo zkoumal CMA ve vysoce pevných betonových deskách mostovky a Shaat[35] kteří zkoumali použití CMA Analýza konečných prvků (FEA) techniky. Komplexní průvodce po působení tlakové membrány v betonových mostovkách sestavili Taylor, Rankin a Cleland v roce 2002.[36]

Severoamerický přístup k CMA v konstrukci mostovky

V Severní Americe byl přijat pragmatičtější přístup a výzkum působení tlakové membrány vycházel především z práce Hewitta a Batchelora[37] a Batchelor a Tissington[38] v 70. letech. Provedli rozsáhlou řadu polních testů, které vedly v roce 1979 k zavedení empirické metody navrhování do Ontario Highway Bridge Design Code.[39] To vyžadovalo minimální izotropní vyztužení (0,3%) v deskách mostovky, pokud byly splněny určité okrajové podmínky. V 90. letech 20. století Mufti et al.[40] rozšířil tento výzkum a ukázal, že významného zvýšení odolnosti bočně zadržovaných desek lze dosáhnout použitím vláknových desek vyztužených vlákny bez ocelové výztuže. Později Mufti a Newhook[41] přizpůsobil Hewitt a Batchelor[37] model vyvinout metodu pro hodnocení maximální kapacity desek plošných vláken vyztužených vlákny pomocí vnějších ocelových pásů pro zajištění bočního zadržení.

Reference

  1. ^ Westergaard, H.M. and Slater, W.A., 'Moments and stresses in slabs', Proceedings of the American Concrete Institute, 1921, Vol. 17, str. 415–538.
  2. ^ Ockleston, A. J., „Zátěžové testy na třípodlažní budově v Johannesburgu“, The Structural Engineer, 1955, sv. 33, říjen, str. 304–322.
  3. ^ Ockleston, A. J., „Arching action in železobetonové desky“, The Structural Engineer, 1958, Vol. 36, č. 6, s. 197–201.
  4. ^ Johansen, K.W., 'Brudlinieteorier', Jul. Gjellerups Forlag, Kodaň, 1943, 191pp (Yieldline theory ', překládáno Cement & Concrete Association, London, 1962).
  5. ^ Wood, R.H., 'Plastický a elastický design desek a desek', Thames and Hudson, London, 1961.
  6. ^ Christiansen, K.P., „The impact of membros stresses on the ultimate pevnosti of a interior panel in the železobetonová deska“, The Structural Engineer, 1963, Vol. 41, č. 8, str. 261–265.
  7. ^ Leibenberg, A.C., 'Arch action in concrete desbs', Bulletin National Building Research Institute, 1966, č. 40. CSIR Research Report No. 234, Pretoria, S. Africa.
  8. ^ Park, R., „Maximální pevnost obdélníkových betonových desek při krátkodobém rovnoměrném zatížení s hranami omezenými proti bočnímu pohybu“, Institution of Proceedings. Občan Engrs, sv. 28, červen 1964, str. 125–150.
  9. ^ Park, R. a Gamble, W. L., „Železobetonové desky“, Wiley Interscience, New York, 1980, str. 562–612.
  10. ^ American Concrete Institute, 'Trhliny, průhyby a mezní zatížení systémů betonových desek', SP-30, Detroit, 1971, 382 s.
  11. ^ Braestrup, M.W., 'Dome effect in železobetonové desky: analýza tuhého plastu', J. Struct. Div., Proc Am. Soc. Občan Engrs, 1980, svazek 106, č. ST6, str. 1237–1253.
  12. ^ Braestrup, M.W. a Morley, C.T., „Dome effect in železobetonové desky: elastickoplastová analýza“, J. Struct. Div., Proc Am. Soc. Občan Engrs, 1980, svazek 106, č. ST6, str. 1255–1262.
  13. ^ Lahlouh, E.H. a Waldron, P., „Membránová akce v jednosměrných deskových pásech“, Proc. Instn. Občan Engrs, Structs & Bldgs, 1992, sv. 94, listopad, str. 419–428.
  14. ^ Kuang, J. S. a Morley, C. T., „Model plasticity pro děrování smyku bočně zadržovaných betonových desek působením tlakové membrány“, International Journal of Science, sv. 35, č. 5, 1993, str. 371–385.
  15. ^ A b C Kirkpatrick, J., Rankin, G.I.B. and Long, A.E., 'Strength Evaluation of M-beam bridge deck doss', The Structural Engineer, Vol. 62B, č. 3, září 1984, s. 60–68.
  16. ^ Kirkpatrick, J., Rankin, G.I.B. a Long, A.E., „Vliv působení tlakové membrány na provozuschopnost palub mostních a deskových mostů“, The Structural Engineer, sv. 64B, č. 1, březen 1986, s. 6–9 a 12.
  17. ^ Department of the Environment, Northern Ireland, „Design of M-beam bridge decks“, dodatek č. 3 k Kodexu návrhu mostu, Northern Ireland Roads Service Headquarters, březen 1986, 11.1–11.5.
  18. ^ A b United Kingdom Highways Agency, „Use of compressive membrane action in bridge deck“, Design Manual for Roads and Bridges, Vol. 3, oddíl 4, část 20, BD 81/02, 2002.
  19. ^ A b Kirkpatrick, J., 'An analytical field and model study of M-beam bridge decks', PhD Thesis, Dept of Civil Engineering, Queen's University of Belfast, 1982, 330 pp.
  20. ^ Long, A.E., „Dvoufázový přístup k predikci razicí síly desek“, Journal of the American Concrete Institute, Proceedings, sv. 72, č. 2, únor 1975, str. 37–45.
  21. ^ A b C Rankin, G.I.B., 'Punching selhání a působení tlakové membrány ve železobetonových deskách', PhD Thesis, Dept of Civil Engineering, Queen's University of Belfast, 1982, 334 pp.
  22. ^ McDowell. E.L., McKee, K.E. a Sevin. E. „Teorie vyklenutí zdí“, Journal of the Structural Division, Proceedings, American Society of Civil Engineers, 1956, 82, č. ST2, 915-1–915-18.
  23. ^ Hognestad, E, Hanson, N.W. a McHenry, D., „Rozložení napětí betonu v návrhu mezní pevnosti“, Journal of the American Concrete Institute, Proceedings, sv. 52, č. 6, prosinec 1955, str. 455–479.
  24. ^ Rankin, G.I.B. a Long, A.E. (1997), „Zvýšení pevnosti při vyklenutí v bočně omezených deskových pásech“, Proc. Instn. Občan Engrs Structs & Bldgs, 122, listopad, str. 461–467.
  25. ^ Long, A.E. a Rankin, G.I.B., „Skutečná pevnost a robustnost železobetonových konstrukcí“, Sborník z konference o ochraně inženýrských konstrukcí, Institution of Civil Engineers / Royal Institute of British Architects, 1989, str. 47–58.
  26. ^ Niblock, R., 'Kompresní membránová akce a maximální kapacita rovnoměrně zatížených železobetonových desek, disertační práce, The Queen's University of Belfast, 1986.
  27. ^ Rankin, G.I.B., Niblock, R.A., Skates, A.S. a Long, A. E., „Zvýšení pevnosti v tlaku na membránu v rovnoměrně zatížených, bočně zadržovaných deskách“, The Structural Engineer, sv. 69, č. 16, 20. srpna 1991, str. 287–295.
  28. ^ Skates, A.S., Vývoj návrhové metody pro zadržené betonové deskové systémy podléhající koncentrovanému a rovnoměrnému zatížení, disertační práce, The Queen's University of Belfast, 1987.
  29. ^ Ruddle, M.E., 'Arching action and the ultimate capacity of železobetonových nosníků', disertační práce, The Queen's University of Belfast, únor 1989.
  30. ^ Ruddle M.E., Rankin G.I.B. a Long A.E., „Arching action – Zvýšení ohybové a smykové pevnosti v pravoúhlých a Tee paprskech“, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and Buildings Journal, 156, číslo 1, únor 2003, str. 63–74.
  31. ^ Peel-Cross, RJ, Rankin, GIB, Gilbert, SG a Long, AE, „Kompresní membránové působení v kompozitních podlahových deskách v Cardington LBTF“, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and Buildings Journal, 146, 2. vydání, Květen 2001, str. 217–226.
  32. ^ Taylor, SE, „Kompresní membránová akce ve vysokopevnostních betonových deskách mostovky“, disertační práce, The Queen's University of Belfast, leden 2000.
  33. ^ Taylor, S.E., Rankin, G.I.B. and Cleland, D.J., (2001) „Arching action in high strong concrete desbs“, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and Buildings, Vol.146, Issue 4, Nov.2001 pp 353–362
  34. ^ Taylor, S.E., Rankin, B., Cleland, D.J, a Kirkpatrick, J., 'Serviceability of bridge deck dess with arching action', American Concrete Institute Structural Journal, Vol. 104, č. 1, leden – únor 2007, s. 39–48.
  35. ^ Shaat, A.J.S., „Skutečná síla příčně omezených železobetonových desek, disertační práce, Queen's University of Belfast, 2005.
  36. ^ Taylor, S.E., Rankin, G.I.B. and Cleland, D.J., 'Guide to compressive membrana action in concrete bridge decks', Technical Paper 3, Concrete Bridge Development Group, Camberley, Surrey, 2002, 46 pp.
  37. ^ A b Hewitt, B.E. a Batchelor, B. de V., „Pevnost ve smyku uchycených desek“, J. Struct. Div., Proc. ASCE, roč. 101, č. ST9, září 1975, s. 1837–1853.
  38. ^ Batchelor, B. de V. a Tissington, I.R., 'Smyková pevnost obousměrných mostních desek', J. Struct. Div., Proc. ASCE, roč. 102, č. ST12, prosinec 1976, str. 2315–2 331.
  39. ^ Ministerstvo dopravy a komunikací v Ontariu, „The Ontario highway bridge design code“, 1979, Toronto, Ontario, Kanada.
  40. ^ Mufti, A. A., Jaeger, L. G., Bakht, B. a Wegner, L.D., „Experimentální výzkum desek z vláknobetonových desek bez vnitřní ocelové výztuže“, Canadian Journal of Civil Engineering, 1993, sv. 20, č. 3, str. 398–406.
  41. ^ Mufti, A. A. a Newhook, J. P., „Pevnost ve smyku uchycených desek mostovky“, ACI Structures Journal, 1998, 8 (3), str. 375–381.