Сила прямоугольных бетонных колонн Усиленный армированных волокном полимерные бары

Эта статья представляет собой конечную прочность подхода для изучения поведения силы взаимодействия из армированных волокном полимера (FRP) железобетона (RC) колонок. Стройность эффекты колонн изучены с помощью численной методики интеграции. Из-за различий в материальном стресс / ответы деформации, равновесия точки не отображаются в силу взаимодействия бетонных колонн, усиленный с барами FRP. Эти столбцы могут проявлять увеличить момент сопротивления при низких уровнях осевой нагрузки. Результаты анализов показывают, что FRP RC колонок склонность к хрупкому напряжения провал. Провал связан с разрывом напряженности баров FRP, в котором напряжение в крайних напряжение арматурного проката слоя достигает или превышает ее конечной уровне или до конкретные достижения своей конечной деформации при сжатии. Этот тип отказа, как ожидается, будет внезапным. Появление хрупких напряжения провал означает, что текущий ACI 318-05 пределах процента армирования может быть недостаточно для столбцов RC усилены с барами FRP ..

Ключевые слова: колонны, волокон, полимеров; силы.

(ProQuest-CSA LLC: ... означает формулы опускается.)

ВВЕДЕНИЕ

Ухудшение состояния стальной арматуры в железобетонных конструкций подвергается агрессивной среде почти неизбежно и приводит к потере прочности и работоспособности. Армированных волокном полимера (FRP) материалы появились в качестве одного из вариантов на сталь в качестве подкрепления для бетона. В дополнение к коррозии, FRP материалы других привлекательных качеств, таких как значительно легче единицу веса, чем сталь, неэлектрических и немагнитных проводимости и высокой степенью прочности и веса. Руководство по разработке изгибных членам FRP арматуры можно найти в ACI 440.1R-01 (ACI Комитет 440 2001). Руководство по анализу и синтезу FRP железобетонных членов сжатия в настоящее время недоступен.

Paramanantham (1993) испытания 14 бетонная балка колонн, армированной стекловолокном армированных полимерных (GFRP) арматуры. Исследование показало, что из стекловолокна арматуры бы только подчеркнули до 20 до 30% от соответствующего предела прочности при сжатии членов, и до 70% от соответствующей прочности в изгибе образцов. Кавагути (1993) испытания 12 конкретных членов армированные арамидного волокна армированной пластмассы (AFRP) арматуры и подвергали этих участников, чтобы эксцентричный растяжения или сжатия. Он сообщил, что бетонные колонны усилены AFRP арматуры могут быть проанализированы с использованием тех же порядке, как и железобетонных колонн. Mirmiran др.. (2001) предполагается, отклоняются формы волны половины косинус для изучения тонких бетонных колонн, армированные FRP арматуры. Они рекомендовали гибкость для столбцов в nonsway кадры, усиленные баров FRP низкой жесткости по сравнению со сталью, сократится с нынешних пределах 22 (ACI 318-05, уравнение.

(10-7)), для колонн согнутую в одной кривизны с равными моментами конца, до 17 на железобетонных FRP (RC) колонок. Они также предложили дизайн уравнений для использования с момента метод увеличения ..

Эта статья исследует поведение конкретных столбцов усилить в первую очередь с продольной FRP арматуры. Для достижения этой цели, следующие задачи были выполнены: 1) развитие отношений осевой нагрузки momentcurvature предсказать поведение столбца FRP RC сечений, а также 2) применение процедуры численного интегрирования к изучению воздействия на стройность колонны FRP RC .

ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Понимание поведения конкретных членов армированных композитных FRP была цель значительные усилия научных исследований. Нынешнее отсутствие понимания такого поведения, однако, представляет собой значительное препятствие для широкого применения композиционных материалов FRP, в частности, при сжатии членов. Это исследование рассматривает поведение колонн армированного FRP арматуры. Кроме того, это исследование стремится дать количественную оценку отказа механизмов / режимы экспозиции этих столбцов. Выводы помогут в будущем разработка рекомендаций и руководящих принципов.

Свойства материалов

В этом разделе представлены учредительные свойств, используемых для анализа колонны RC, представленные в настоящем документе.

Бетонные напряженно-деформированного моделей

Параболических и линейных выражений "Аль-Ford и др. (1981) принимаются здесь в модели мгновенного краткосрочные конкретные напряженно-деформированное поведение

... (1)

F ^ к югу с = е '^ с ^ к югу [1-м (

... (3)

где / ^ с ^ к югу и / '^ с ^ к югу (фунтов на квадратный дюйм или МПа) бетона на сжатие и прочность бетона на сжатие указанные силы, соответственно. Кроме того, м склона уравнения. (2) и устанавливается равным 20, как было предложено др. Ford и др. (1981); Наконец, (3) определяется как конкретный штамм, соответствующее максимуму бетона на сжатие стресса. Конкретного модуля E ^ с ^ к югу равна 33w1.5 фунтов на квадратный дюйм (или 0.043w SUP ^ ^ ... 1,5 МПа), где со единицу веса бетона (кг / м ^ 3 ^ SUP или кг / м ^ SUP 3 ^). Прочности бетона, игнорируются в ходе анализа.

Оценка 60 стали напряженно-деформированного модели

Стандартной стали арматурного проката в США уже давно Оценка 60 бар, с гарантированным минимальным пределом текучести 60 KSI (414 МПа). Нижняя и высокую доходность баров силы, в 40 классах, 50 и 75 были также доступны, но не имеют широкого применения. Напряженно-деформированного кривой Оценка 60 стали широко экспонатов начальной линейной упругой части, текучести и нелинейной области упрочнения, в котором напряжение растет с напряжением. Подробная информация для оценки 60 стали напряженно-деформированное поведение, полученных от сейсмических Дизайн критериям (Колтранс 1999) были приведены в Choo (2005), и представлены на рис. 1.

FRP напряженно-деформированного моделей

FRP арматуры себя в линейных упругих образом до разрушения. Сжатие преимущества FRP арматуры, как известно, меньше, чем прочностью на разрыв и, следовательно, эта прочность на сжатие часто игнорируется в анализе и проектировании FRP изгиб членов (ACI Комитет 440 2001). При анализе FRP колонны RC, однако, знания FRP арматурного проката сжимающих поведение имеет важное значение. Деиц и др.. (1999, 2003) сообщили, что отношение измеряется конечной прочности при сжатии GFRP арматуры составляет примерно 50% от измеряемой предел прочности при растяжении. Они определили, что модуль Юнга на сжатие и растяжение, было примерно одинаковым. Потому что сжимающие свойства FRP арматуры, крайне непостоянны, эти свойства будут определены в соответствующих случаях в сопроводительном результатов. Схемы из FRP деформационных кривых приведены на рис. 2. Как уже отмечалось, при сжатии напряжений и деформаций, как правило, ниже и более разнообразны, чем соответствующих свойств при растяжении для FRP арматуры.

АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Эффект вторичного изгибающих моментов вызванных связи осевой нагрузки и боковое отклонение необходимо учитывать при силе реальных столбец должен быть определен. Для получения прогибов железобетонных колонн, численный метод интеграции представил Ченом и Atsuta (1976) используется в данном исследовании. Для эффективного использования этого метода, осевой нагрузки ответы момент-кривизна железобетонная колонна сечения должны сначала быть определены. Таким образом, численный счет схема геометрической нелинейности путем введения второй момент в расчет и нелинейности материала на основе полученных нелинейных осевой нагрузки момент кривизны отношений (Chen и Луи 1987). Ниже описывается процесс более подробно.

Развитие осевой нагрузки момент и момент кривизны отношения

Сила взаимодействия отношений колонке FRP RC сечениях можно определить с помощью допущения, соответствующие применимые к стали RC колонке сечения: 1) разделы плоскости остаются плоскими при изгибе, так что напряжение в бетона и арматуры пропорциональна расстоянию от нейтральной оси, 2) совершенный связь существует между арматурой и окружающих конкретные и 3) напряжения прочность бетона можно пренебречь. Области конкретных, перемещенных в результате укрепления на сжатие будет вычитаться из бетона на сжатие области.

Определение осевой нагрузки отношения момента кривизны суммируется с помощью рис. 3 в следующей последовательности:

1. Разделите колонке сечение в N количество полос и предположить расположение нейтральной оси;

2. Выберите малое значение для конкретного деформации

3. Из линейного распределения напряжения, определения деформаций в центрах всех конкретных полос при сжатии и деформации во всех арматуры (рис. 3 (б) и (с));

4. Использование бетона и арматуры напряжений и деформаций, определения напряжений и, как следствие, силы, при растяжении или сжатии в каждом такте друга и в каждой полосе бетона на сжатие зоны;

5. Результирующей осевой нагрузкой Р и изгибающий момент M, что сечение будет сопротивляться предположить распределения деформаций и кривизны может быть определена путем суммирования вертикальных сил и моментов относительно центра тяжести поперечного сечения (рис. 3 (г)) . Связанных кривизны [прямо фи] равен деформации

6. Значения

Шаги с 4 по 6 повторяются до заданного предельного сжатия деформации Значения После деформации при сжатии был использован, новое расположение нейтральной оси выбран и процедура повторяется с шага 2.

Численное интегрирование колонке отклонения

Численный метод используется для получения бокового смещения колонке описывается с помощью рис. 3 (е). Бокового смещения Р и М в х ^ о ^ к югу.

Дискретных точек, х ^ 1 ^ к югу, х ^ ^ 2 к югу, ... х ^ ^ п к югу, отбираются на малых расстояниях, чтобы перемещение и наклон в любой момент я могу быть аппроксимирована следующими уравнениями численного интегрирования (Chen и Atsuta 1976)

... (4)

Использование ВВ и Mf отношения развивались в столбце сечения в предыдущем разделе, кривизны в каждой точке я рассчитывается в зависимости от осевой нагрузки и момента

[Прямая фи] ^ югу я = F (M ^ ^ я к югу, P) (6)

Харик и Gesund (1986) рекомендовал использовать от 10 до 20 сегментов для гибки колонке в одноместных и двухместных кривизны, соответственно. Эта рекомендация после документе.

Процедура повторяется путем изменения Правильный перемещения являются те, которые на склоне midheight равен нулю для симметричных условиях конце или в отношении которых перемещения равна нулю в конце колонны подвергаются осевой нагрузки P с неравными моментов члена заканчивается. Моментов вдоль колонны, в том числе момент максимума, можно определить из бокового смещения.

Повторяя вышеупомянутой процедуры для повышения значения P, соответствующие перемещения вдоль колонны могут быть вычислены и, таким образом, таблицы осевое усилие-перемещение и осевой силы максимальный момент сопротивления могут быть получены.

Железобетонная колонна CROSS-SECTION СИЛЬНЫЕ

Бетонные колонны усилены Оценка 60 стали и различных FRP арматуры приведены в качестве нормированной осевой нагрузки момент кривых

...

, как показано на рис. 4. Результаты для прямоугольного поперечного сечения Ь Н, обладающих конкретными прочности при сжатии е '^ с ^ к югу. Конкретные прочности при сжатии 5000 фунтов на квадратный дюйм (35 МПа), предполагалось, для иллюстрации (рис. 4). Свойства материала различных FRP арматуры представлены на рис. 1 применяются в ней, и эти ценности, включенные в сопроводительном результатов. На основании результатов анализа, можно сделать следующие заметил:

1. Оценка 60 кривые стали взаимодействию точки равновесия (то есть Как правило, снижение осевой нагрузки сопровождается увеличением момента силы из чистого осевой нагрузки на состояние баланса очков. Взаимодействия кривая, то происходит одновременное сокращение осевой нагрузки и момента силы из положения равновесия к состоянию чистого изгиба;

2. В большинстве случаев, для бетонных колонн армированного FRP, момент сопротивления увеличивается с осевой нагрузки уменьшается от чисто осевой нагрузки на чистый изгиб. Это особенно очевидно, для укрепления отношений, Рисунке 4 (г) также показывает, что критическая точка, . Это критическая точка определяется как хрупкие напряжения провал. Это говорит о том, что колонна RC с этим конкретным типом бар GFRP может потерпеть неудачу в хрупких напряжения отказов. Предупреждение хрупких напряжения провал обсуждается в Choo (2005), а также

3. Информация о сжимающие свойства (например, предельной деформации, напряжения, и модуль упругости) FRP арматуры не доступны для большинства баров, используемых сегодня. Следовательно, и изучение влияния этих свойств на общую колонку сечения силы, три различных значения сжимающих модуля к модулю напряженности отношений (Е к югу Ь ^ / E ^ югу м = 0, 0,5 и 1,0) являются использованы на рис. 5. Можно сделать вывод, что уменьшение сжимающих модуль позволит сократить общий столбец сечения силы. Следовательно, и, как это обычно применяется на практике, не обращая внимания вклада сжимающих подкрепление общей крест силу статьи, может быть консервативным. Сжатие испытания GFRP арматуры (Деиц и др.. 2003), однако, показали, что произошел сбой на "brooming" отдельных волокнах арматуры. Такие brooming может привести конкретные покрова для откола от, снижая тем самым прочность колонны. Следовательно, напряжение в барах FRP на сжатие должна определяться и сверяется с предельной деформации даже при сжатии подкрепление не учитывается в анализе, как и в случае E югу ^ Ь ^ / E ^ югу м = 0 (рис .

SLENDER ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СИЛЬНЫЕ COLUMN

Чтобы изучить истинная сила колонке, стройность эффекты должны быть рассмотрены. Боковые смещения приводит к увеличению в колонке моменты (С- Это увеличение в моменты снижает общую пропускную способность колонки. Боковых смещений и моментов по длине колонки получаются в результате применения условий равновесия описано выше.

Численный метод был проверен путем сравнения nondimensionalized диаграммы взаимодействия для тонких стали железобетонных колонн получены Pfrang и ЗИС (1964), как показано на рис. 6. Pfrang и столбцов ЗИС обрела конкретные прочности при сжатии 3000 фунтов на квадратный дюйм (21 МПа) и процента армирования на 4%. Стальной арматуры предполагалось иметь предел текучести 45000 фунтов на квадратный дюйм (310 МПа), и быть абсолютно упруго-пластических. Сила взаимодействия, рассчитанной по настоящей метод немного меньше, чем у Pfrang и ЗИС. Это объясняется главным образом crosssectional площадях бетон, перемещенных в результате укрепления были вычтены ходе настоящего анализа. Осевой loadmaximum момент отношения для различных гибкостей, однако, в очень хорошем согласии (рис. 6). Таким образом, численная схема может быть представлена эффективным средством изучения поведения конкретных столбцов. Нормированная осевой нагрузки момент (P *- M *) и момент кривизны (M *- [прямой фи *]) отношений представлены на рис.

С 7 по 10 для оценки поведения стали и FRP железобетонных колонн. Колонке свойства представлены в соответствующих примеров на рис. 7 до 10. Хотя, для примера, момент кривизны отношений в эти цифры появляются только на определенных уровнях нагрузки осевые, эти отношения являются нелинейными характер, что является типичным для железобетонных элементов ..

Каждый осевой нагрузки взаимодействия момент кривая на рис. 7 (а) до 10 () создается для постоянной кривизны путем изменения напряжения в крайних волокон в конкретных сжатия от Поколения серии этих кривых позволяет вывод момент кривизны отношений на различных уровнях осевой нагрузки. В качестве примера на рис. 7 (б) до 10 (б) показать момент кривизны (M *- [прямой фи *]) кривая конкретных осевой нагрузки. Конверт всех осевой loadmoment (P *- М *) кривых на рис. 7 (а) до 10 (а) нормированный номинальный осевой нагрузки момент (P *- М *) взаимодействия кривой Влияние гибкости был изучен и показано на рис. 7 (с) до 10 (с). Как и ожидалось, общее сокращение численности взаимодействия отношений этих столбцов тонкие конкретные наблюдалось, как гибкость отношений увеличилось с KL / г = 0 до 150.

Для примера, на осевой нагрузки ответы момент столбцы с промежуточными отношение стройность 50 приведены на рис. 11. Как показано, осевой нагрузки момент ответов всех конкретных типов столбцов похожи на начальном этапе загрузки (0 Для диапазона P ^ к югу и ^ *> 0,4 и продолжает конечной уровнях нагрузки, последствия существенных различий выставлены для разных столбцов. Численных примерах показано на рис. От 7 до 11 ограничены прямоугольной железобетонные колонны; подход, однако, может быть расширена за счет включения колонн различной формы и конечные условия.

РЕЗЮМЕ И ВЫВОДЫ

Это исследование изучало поведение колонн RC усилена продольными FRP арматуры. Аналитические процедуры были представлены исследования осевой нагрузки momentcurvature (PM-[прямой фи]) отношений коротких и тонких колонн RC. На основании этих результатов анализа, можно сделать следующие выводы:

1. В отличие от столбцов стали RC сечениях колонки FRP RC сечение взаимодействия сил диаграммы не наблюдается баланс центров для бетонных колонн, связанным усиление ограничений [( 8%)], как это определено ACI 318-05. Это связано с четко определенным пределом текучести и плато для оценки 60 стали, а напряженно-деформированного реакции типового FRP арматуры изменяется линейно-упруго до отказа;

2. В некоторых случаях, FRP RC столбец диаграммы разделе перекрестного взаимодействия сил выставки критическая точка перед силой взаимодействия достигает чистого изгиба состоянии. Эта ошибка относится к категории хрупких напряжения провал. Неспособность возникают при внешних конкретные волокна достигает своего предельного деформации при сжатии ( = FRP RC колонны восприимчивы к этой неудачи типа, когда низкие уровни армирования рассмотрел. Результаты показывают, что ACI 318-05 пределах процента армирования может быть недостаточно для использования в бетонных колонн, усиленный с барами FRP если хрупких напряжения неудачи, которых следует избегать, и

3. Не обращая внимания на вклад укрепление FRP в зоне сжатия может быть консервативным. Сжатии штамм FRP арматура, однако, должны быть проверены, чтобы гарантировать, что сжимающие отказа не происходит в барах FRP.

Хотя и не показали в настоящем документе, включение долгосрочных эффектов, таких как ползучести и усадки бетона, ползучести и разрушения FRP арматура, потенциально может привести к преждевременной неисправности или сжатие хрупкие напряжения разрушение бетона колонн армированного FRP арматуры. Возможно также, что эти неудачи, которые не встречаются в краткосрочных анализов, может произойти, когда долгосрочные последствия считаются (Choo 2005). Это область, которая требует дальнейшего изучения.

Нотация

E ^ к югу с = модуль упругости бетона

E ^ югу Ь = модуль упругости FRP арматуры при сжатии

E ^ югу футов = модуль упругости FRP арматуры при растяжении

E ^ югу ы = модуль упругости арматуры на растяжение / сжатие

е = эксцентриситета нагрузки = M / P

F ^ к югу с = прочности бетона сжатие

е '^ к югу с = указанных конкретных прочность на сжатие

F ^ югу е = сила FRP арматуры

F ^ югу ОФП = предел прочности на сжатие от FRP арматуры

F ^ югу фут = предел прочности на растяжение ФРП арматуры

F ^ югу ы = сила арматуры

F ^ к югу и ^ = предел / прочность на сжатие арматуры

F ^ югу у = текучести арматуры

ч = высота прямоугольной колонки сечений в направлении изгиба

L = длина пролета столбцов

M ^ югу п = номинального момента

P ^ югу п = номинальная нагрузка по оси

[Прямая фи] = кривизны

Ссылки

ACI Комитет 318, 2005, "Строительный кодекс Требования Железобетона (ACI 318-05) и Комментарии (318R-05)," Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 430 с.

ACI Комитет 440, 2001, "Руководство по проектированию и строительству железобетонных с FRP бары (ACI 440.1R-01)," Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 41 с.

Колтранс, 1999, "Колтранс критерии сейсмостойкости", версия 1.1, Калифорния Департамент транспорта, Сакраменто, Калифорния, 115 с.

Chen, WF, а Atsuta, T., 1976, "Теория Beam-Столбцы: Vol. 1 In-Plane Поведение и дизайн, McGraw Hill, Inc, 513 с.

Chen, WF, и Луи, Е. М., 1987, Структурная устойчивость-теория и выполнения решений, Elsevier, 490 с.

Choo, CC, 2005, "Исследование прямоугольных бетонных колонн, предварительно напряженного железобетона или с армированного волокном полимера (FRP) Бары и сухожилий", Кандидатская диссертация, Университет штата Кентукки, Лексингтон, Кентукки, 155 с.

Деиц, DH; Харик, IE и Gesund, H., 1999 ", GFRP Железобетонная палубы," Транспорт-исследовательский центр Отчет № ПСК-00-1, Университет штата Кентукки, Лексингтон, Кентукки, 183 с.

Деиц, DH; Харик, IE и Gesund, H., 2003, "Физические свойства армированного стекловолокном Полимерные арматуру при сжатии," Журнал композиты в строительстве, V. 7, № 4, ноябрь, с. 363 - 366.

Ford, JS; Chang, округ Колумбия, и Брин, JE, 1981, "Поведение бетонных колонн, в контролируемых поперечной деформации", ACI ЖУРНАЛ, Труды В. 78, № 1, январь-февраль, с. 3-20.

Харик, IE, и Gesund, H., 1986, "Железобетонные колонны в двухосных Гибка", железобетонный каркас структуры-стабильности и прочности, Elsevier Science Publishers прикладной, Лондоне и Нью-Йорке, с. 111-132.

Кавагути, N., 1993, "Ultimate прочностных и деформационных характеристик бетона членов Усиленный AFRP стержней при комбинированном осевом растяжении или сжатии и изгибе," Волоконно-металлопластиковых Арматура железобетонных конструкций, SP-138, А. Нанни и CW Долан , ред. американские бетона институт, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, с. 671-685.

Mirmiran, A.; юаней, WQ и Chen, ВР, 2001, "Дизайн для Стройность в бетонные колонны внутри Усиленный армированного волокном полимерные бары," Структурные ACI Journal, В. 98, № 1, январь-февраль, с. 116-125.

Paramanantham Н.С., 1993, "Исследование поведения железобетонные колонны Усиленный волокнита арматура," MS тезис, Ламар университета, Бомонт, Техас

Pfrang, ЭО, и ЗИС, CP, 1964, "Поведение Сдержанная железобетонных колонн," Журнал структурной отдела, В. 90, № ST5, октябрь, 231 с.

Цзин Chiaw Choo является научно-исследовательским профессор Кентукки транспортный центр и Департамент строительства, Университет штата Кентукки, Лексингтон, Кентукки Его исследовательские интересы включают дизайн и укрепления бетонных конструкций, fiberreinforced полимерных композитов и сейсмические построения и анализа.

Входящие в состав МСА Иссам Е. Харик является Raymong-Блайт профессор архитектурно-строительный университет штата Кентукки. Он является членом комитета ACI 440, армированных полимерных Укрепление и совместных ACI-ASCE комитетов 343, железобетонный мост Дизайн и 441, железобетонных колонн. Его исследовательские интересы включают структурные, сейсмических и мост анализ и проектирование, армированных волокнами полимерных композитов, армированных и предварительно напряженного бетона, а также пластин и оболочек.

Ханс Gesund, ВВСКИ, профессор гражданского строительства, Университет штата Кентукки. Он является членом комитетов МСА 375, основанным на показателях деятельности Проектирование зданий Бетон для ветровых нагрузок и E 803, факультет сети Координационного комитета и совместных комитетов ACIASCI 343, железобетонный мост Дизайн и 421, Проектирование железобетонных плит. Его исследовательские интересы включают несущие конструкции, железобетон, расчет по предельным из железобетонных плит и рам, а также практичный дизайн приложений.