Минимальная армирования для армированных волокном полимерные железобетонных прямоугольных колонн

Сила взаимодействия (PM) анализ прямоугольных бетонных колонн, армированные армированных волокном полимера (FRP) баров определили два отказа механизмов: преждевременной сжатия неудач и хрупком напряжения провал. В исследовании делается вывод, что хрупкое напряжения неудача более вероятно, произойдет из-за низкой конечной растяжения баров FRP. В данной работе аналитический подход представляется определить как неудачи и предотвращения хрупкого напряжения неэффективности таких столбцов для отказа контролируемой конкретные дробления. Это достигается путем предоставления армирования Взаимодействие диаграммы в виде эластичной модулю растяжения (E ^ югу м ^- Предлагаемый подход позволяет оценить прямоугольных бетонных колонн, усиленный с барами FRP будет осуществляться по аналогии с железобетонных колонн.

Ключевые слова: колонны, недостаточность; волокон, полимеров, армирования.

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

ВВЕДЕНИЕ

Значительные усилия исследований внесли свой вклад в понимание конкретных членов внутренним усилением или снаружи укреплены армированной волокном полимера (FRP) композитов. Эти усилия, в то время как значительно повысить наши знания о том, как конкретные членов армированных композиционных материалов FRP должны быть проанализированы и разработаны при изгибе и при сдвиге, пока еще не привели к рационального подхода к анализу и дизайну FRP железобетонных членов сжатия. ACI Комитет 440 опубликовала "Руководство по проектированию и строительству железобетонных с FRP бары (ACI 440.1R-03)", в котором содержатся положения дизайн для изгиба и сдвига. Руководство исключает какие-либо положения для анализа и разработки конкретных членов сжатия усилены с барами FRP. FRP бары не были рекомендованы Комитетом МСА 440 (1996, 2003) для использования в качестве сжатия подкрепление, отчасти потому, что прямой эффект сжатия подкрепления прочность бетона членов часто малые и, следовательно, зачастую игнорируются. Кроме того, свойства сжатия баров FRP часто трудно предсказать, из-за отсутствия стабильности отдельных волокон в баре.

Paramanantham (1993) испытания 14 бетонная балка колонн, армированной стекловолокном армированных полимерных (GFRP) арматуры. Исследование показало, что GFRP арматуры бы только подчеркнули до 20 до 30% от их предел прочности при сжатии в чистом осевого сжатия, и до 70% их прочности в чистом изгибе. Кавагути (1993) выполняют аналогичные испытания с конкретных членов армированные арамидного волокна армированной пластмассы (AFRP) арматуры. Оба исследования показали, что конкретные членов сжатия армированные FRP арматуры могут быть проанализированы с применением тех же принципов и процедур, используемых для бетонных столбов с арматурой. Деиц и др.. (2003) GFRP испытания арматуры, которые с внешним диаметром 15 мм (3 / 5 дюйма) при сжатии, и сообщил, что предел прочности при сжатии стержней составляет примерно 50% от прочности на растяжение. В целом, прочность на сжатие FRP арматуры меньше, чем прочность на растяжение.

Принципов, основанных на конечной подход силы, аналогичные той, которая используется для железобетонных колонн, были использованы в настоящей работе по расследованию силы взаимодействия отношений (ПМ) армированные бетонные колонны с барами FRP (Choo и др.. 2006) . Два отказа механизмов бетонных колонн, усиленный с барами FRP были определены: 1) преждевременное разрушение при сжатии-и 2) brittletension провал. Неудачи были связаны с разрывом баров FRP на сжатие и на растяжение, соответственно. В сущности, преждевременного выхода из строя сжатия результате разрыва баров FRP на сжатие до крайних конкретные волокна достижения предельной деформации (например, 0,003 МСА 318-05 [ACI Комитет 318 2005]), в то время как неспособность хрупких напряжения происходит, когда бетонная колонна не в состоянии достижения чистого изгиба до верхнего слоя напряженности FRP укрепление достижения своей конечной деформации.

Целью настоящего документа является предоставление рекомендаций на основе аналитических исследований, проведенных в целях преодоления prematurecompression и хрупких напряжения сбоев в бетонных колонн, усиленный с барами FRP. В частности, рациональный подход представляется, указав, что хрупкий напряжения разрушение бетона колонн армированного FRP бары, можно избежать, позволяя провал контролируемых конкретные дробления. Отсутствие конкретных контролируемых измельчения обеспечивается предоставлением армирования Диаграммы взаимодействия представлены в данном документе в виде эластичной модулю растяжения (E ^ югу м ^-

Следует отметить, что данное исследование является первым из многих шагов, необходимых для разработки единой методологии дизайна FRPreinforced железобетонные колонны. Тем не менее, аналитические расчеты, представленные здесь, основаны на теории механики и сопротивления материалов, должны быть дополнены экспериментальных исследований, которые выходят за рамки данной статьи.

ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Руководство по проведению анализа и проектирования бетонных колонн, усиленный с барами FRP до сих пор не опубликовано. Аналитический подход, представленный заключается в выявлении prematurecompression неудачи и дать рекомендации, чтобы исключить хрупкое напряжения разрушение бетона колонны усилены с барами FRP. Исследование представляет собой первую попытку такого рода в адаптации FRP бар типа арматуры в железобетонных приложений колонке.

Г. СВЯЗЬ бетонных колонн, армированные FRP БАРС

Стальная железобетонная колонна сечения силы могут быть проанализированы с помощью равновесия напряжений, Бернулли линейной сочетаемости деформации, и материал определяющие соотношения (MacGregor 1997). Номинальная прочность бетона колонке сечения, как правило, представлены в виде осевой нагрузки момент (PM) отношений силы взаимодействия, и полученные с помощью американского института бетона (ACI), заданной конечной или максимального сжатия конкретного штамма 0,003. Силы взаимодействия для железобетонных колонке сечения определяется по внешнему конкретные волокна при сжатии достижения конечной сжимающие напряжения. Области взаимодействия кривой, где верхний слой стали в упругой области, как правило, называют области управления сжатия, в то время как область контроля натяжения указывает области взаимодействия кривой, где верхний слой напряженности стали дало.

Аналогичный подход был использован в аналитическое исследование поведения армированных бетонных столбов с FRP арматуры (Choo и др.. 2006). В дополнение к этим двум отказ механизмов, описанных во введении, другие соответствующие выводы, касающиеся силы взаимодействия поведения армированных бетонных столбов с барами FRP были представлены.

Преждевременная-при сжатии

Хотя на рисунке не показан в переносном смысле, преждевременной сжатия разрушение бетона колонны усилены с барами FRP может случиться, если сжатие разрыв баров FRP место до конкретных деформации достижения своей конечной. Стоит отметить, однако, что разрыв сжатия баров FRP является менее вероятным, поскольку конечной деформации сжатия баров FRP как правило, больше, чем конечная конкретные деформации при сжатии.

Хрупко-TENSION FAILURE

Бетонная колонна усилена с барами FRP, что испытывает напряжения хрупкого провал показано, как сила взаимодействия кривая на рис. 1. Сила взаимодействия кривая была получена ACI Для силы взаимодействия Кривая, хрупкий напряжения произошел сбой, когда конкретные конечной деформации при сжатии и предела прочности штамм внешней напряженности FRP бары были достигнуты ( =

Учитывая же бетонная колонна сечения на рис. 1, когда усиление соотношение увеличилось с 1% (сила взаимодействия кривая) до 1,4% (сила взаимодействия Кривая B), в случае определяется конкретными дробления лишенная хрупкого напряжения провал.

Следует отметить, что хрупкое напряжения провал из-за напряженности разрыв баров FRP в бетонных колонн, потенциально катастрофическими, поскольку она возникла внезапно, и взрывчатых веществ. Таким образом, конкретные неудачи дробления более желательным для бетонных колонн армированного баров FRP. Документально подтверждено, что изгиб членов армированные FRP бары выставке конкретные неудачи дробления более прогрессивные и менее катастрофическими (Нанни 1993; GangaRao и Vijay 1997; Териолт и Benmokrane 1998).

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ хрупко-TENSION FAILURE

Из предыдущего текста, похоже, что бетонные колонны усилены FRP бары могут быть защищены от brittletension неудачи путем предоставления армирования Можно сделать вывод, что ACI 318-05 Кодекса ограничения, в частности, не менее 1%, указанный для ACI 318-05 пределы укрепления были созданы в 1930-е, когда средней прочности материалов, как правило, используется. В то время, номинальная конкретные сильные сжатия составляла от 2000 до 5000 фунтов на квадратный дюйм (от 14 до 35 МПа) и сильные стали выхода варьировались от 39 и др.. 1933; Logeman и др.. 1933; Ричарт 1933). Максимальный коэффициент усиления 8% по-прежнему применяется, поскольку принятие на предотвращение заторов арматурного проката, хотя в повседневной практике этот предел редко достигали.

Деформации в каждом арматурного проката из столбца сечения может быть определена из предположить деформации распределения предопределенных предельной деформации конкретные сжатия. Бетона и арматуры напряжений может быть вычислена из соответствующего материала учредительных законов. Последующие результирующей осевой нагрузки и момента колонке сечения может быть найден из статики равновесия. Явно, максимальное усиление деформации растяжения ). Минимальный коэффициент усиление Таким образом, если при условии Естественно, что

Диаграммы взаимодействия для 1% 2 (а) (F), которые были разработаны для облегчения определения Диаграммы применимы к любой прямоугольной бетонная колонна сечение армированные FRP бары распределены равномерно по всему периметру. Ординат эластичное модулей E ^ ^ м к югу от FRP арматурного проката: от 5000 до 30000 KSI (от 35 до 210 ГПа), которая включает в себя наиболее доступные FRP бары. Оси абсцисс деформации растяжения Диаграммы были разработаны с использованием конкретных напряженно-деформированного модель, состоящая из параболического восходящей ветви и линейной нисходящей ветви с ACI 318-05 указано конечной сжатия штамм 0,003 (Choo 2005).

Из-за изменчивости растяжение и сжатие свойства FRP арматура, диаграммы взаимодействия были разработаны для учета различных соотношений сжимающих модуля упругости (Е к югу Ь ^) на растяжение модуля упругости (Е к югу м ^) ( E ^ югу Ь ^ / E ^ югу м = 1,0, 0,8, 0,6, 0,4, 0,2 и 0,0, соответственно). E ^ югу Ь ^ / E ^ ^ м к югу отношение 0,0 показывает, что прочность на сжатие стержней FRP игнорируется. Одновременно прочности бетона на сжатие е '^ с ^ к югу и отношение расстояние между наружными слоями арматуры на высоту столба сечения в направлении изгиба ( Учет различий в E югу ^ ^ Ь / E ^ ^ м к югу гарантия, потому что сжатие упругого модуля баров FRP как правило, ниже по сравнению с эластичное модуля. Влияния е '^ с ^ к югу и

Влияние е '^ с ^ к югу

В дополнение к параметру E ^ югу Ь ^ / E ^ ^ м к югу, взаимодействие диаграммы на рис. 2 также основаны на двух других параметров: F '^ с ^ к югу и Увеличение или уменьшение прочности бетона на сжатие е '^ с ^ к югу оказывает существенное влияние на величину растяжения ( Например, когда / '^ с ^ к югу уменьшается [в отношении к /' ^ к югу с = 5000 фунтов на квадратный дюйм (35 МПа)], растягивающие напряжения и деформации, а следовательно, силы, разработанные в FRP арматура будет также сводится к поддержанию равновесия сил.

Рисунок 3 показывает, как конкретные прочности на сжатие влияет на величину растяжения на внешних растягивающих слоя арматуры. Конкретные сильные сжатия считается включать 3000, 4000, 6000, 7000 и 8000 фунтов на квадратный дюйм (21, 28, 41, 48 и 55 МПа), с 5000 фунтов на квадратный дюйм (35 МПа), используемого в качестве ссылки. Из рисунка видно, увеличение величины растяжения как бетон увеличивает прочность. Использование 5000 фунтов на квадратный дюйм (35 МПа) прочности бетона, как данное, коэффициент

После 3000 фунтов на квадратный дюйм

... (1)

После 5000 фунтов на квадратный дюйм

... (2)

Влияние

Аналогичные к / '^ с ^ к югу, отношение расстояние между наружными слоями из баров на высоту столба сечения в направлении изгиба ( . Следует отметить, что для стальных железобетонных колонн, силы взаимодействия в различных справочников дизайн (например, ACI Комитет 340 [1998]), как правило, разработаны для различных значений

Когда остальные параметры оставались постоянными, растяжения Уравнение (3) могут быть использованы для связать диаграммы на рис. 3 с Пусть 3

(

ПРИМЕНЕНИЕ (E ^ югу м ^-

E ^ югу м ^- Для того чтобы отразить влияние двух параметров, е '^ с ^ к югу и

Как уже отмечалось, к югу Следующие примеры иллюстрируют использование предлагаемого диаграмм взаимодействия.

Пример № 1-Определить минимальное соотношение укрепление

Дано:

^ F 'к югу с = 7000 фунтов на квадратный дюйм (49 МПа)

E ^ югу футов = 6500 KSI (45,5 ГПа)

E ^ югу Ь = 3900 KSI (27,3 ГПа)

Решение:

* Шаг 1-Прибытие по причине преждевременной сжатия: Потому что

* Шаг 2-Определить

Изменение фактора

...

Изменение фактора

Из уравнения. (3),

Изменение конечной растяжения стержня GFRP:

Из уравнения. (4),

Модули упругости коэффициент:

...

* Шаг 3-основе сочетания E югу ^ м = 6500 KSI (45,5 ГПа) и 4 составит около 1,5

Минимальный норматив для предотвращения укрепления хрупких напряжения ошибка может также определяться аналитический метод, описанный в этом документе, который дает

Пример № 2-Определить минимальное соотношение укрепление

Дано:

^ F 'к югу с = 4000 фунтов на квадратный дюйм (28 МПа)

E ^ югу м = 20000 KSI (140 ГПа)

E ^ югу Ь = 7500 KSI (52,5 ГПа)

Решение:

* Шаг 1-Check преждевременной сжатия провал. Поскольку

* Шаг 2-Определить

Изменение фактора

...

Изменение фактора

Из уравнения. (3),

Изменение предела прочности штамм углерода fiberreinforced полимера (углепластика) по сайту:

Из уравнения. (4),

Модули упругости коэффициент:

...

* Шаг 3-Потому что E ^ югу Ь ^ / E ^ югу футов = 0,375 занимает промежуточное положение между E югу Ь ^ ^ / E ^ югу м = 0,2 и Е к югу Ь ^ / E ^ югу м = 0,4, линейная интерполяция будет использоваться для определения Заметим, что кривые для значений

На основании сочетания E югу ^ м = 20000 KSI (140 ГПа) и 5 составляет примерно 0,6%.

Минимальный норматив для предотвращения укрепления хрупких напряжения ошибка может также определяться аналитический метод, описанный в этом документе, который дает

Пример № 3-Определить минимальное соотношение укрепление прочности на сжатие баров AFRP.

Дано:

^ F 'к югу с = 5000 фунтов на квадратный дюйм (35 МПа)

E ^ югу футов = 8000 KSI (56 ГПа)

E ^ югу Ь = 4800 KSI (34 ГПа)

Решение:

* Шаг 1-Прибытие по причине преждевременной сжатия: Потому что

* Шаг 2-Определить

Изменение фактора

Изменение фактора

Изменение конечной растяжения стержня AFRP:

Из уравнения. (4),

(А) Не обращайте внимание на прочность на сжатие стержней AFRP: Модули упругости коэффициент:

...

* Шаг 3 (а)-на основе сочетания E югу ^ м = 8000 KSI (56 ГПа) и 6 (а) составляет примерно 0,56%. Заметим, что кривая для значения

Минимальный норматив для предотвращения укрепления хрупких напряжения ошибка может также определяться аналитический метод, описанный в этом документе, который дает

(Б) рассмотреть вопрос о прочности на сжатие баров AFRP:

Модули упругости коэффициент:

...

* Шаг 3 (б)-на основе сочетания E югу ^ м = 8000 KSI (72 ГПа) и 6 (б) составит около 0,57%. Заметим, что кривая для значения

Минимальный коэффициент усиление для предотвращения brittletension ошибка может также определяться аналитический метод, описанный в этом документе, который дает

РЕЗЮМЕ И ВЫВОДЫ

Сила взаимодействия (PM) анализа, проведенного на прямоугольных бетонных колонн, армированные FRP бары определены тенденции для таких членов пройти преждевременного выхода из строя сжатия или хрупких напряжения провал. Это может потенциально привести к взрывоопасной и внезапной типа неудач, которые следует избегать.

Цель этого документа заключается в представлении аналитический метод для определения преждевременной сжатия неудач и преодолеть типа аварии, связанные с разрывом FRP арматуры при растяжении (или хрупких напряжения недостаточности). Этот подход предусматривает, что хрупкий напряжения разрушение бетона колонны можно избежать, вызвав сбой контролируемых конкретные дробления, удовлетворяя необходимом соотношении укрепление назначен В результате разрушение бетона дробления, вероятно, будет более прогрессивным и менее страшным провалом для бетонных колонн, армированные FRP арматуры. Для облегчения определения В дополнение к хрупкому напряжения недостаточность, сжатия штамм FRP арматуры в конкретном столбце также должны быть сверены преждевременного выхода из строя сжатия. Это может быть достигнуто путем расчета соответствующих штамм FRP арматуры на основе линейного распределения деформаций и статических условиях равновесия, и сравнение этих штаммов к его полной деформации.

Диаграммы взаимодействия, полученные в данной работе целесообразно предоставлять средства прогнозирования минимальное соотношение подкрепление, необходимых для предотвращения хрупкого напряжения сбой в FRP усиленный прямоугольных бетонных колонн. Кроме того, предложенный метод и диаграммы позволяют прямое включение какого-либо "бросовым" факторы, такие меры могут включать факторы для учета неблагоприятных условий долгосрочной загрузки и усталости FRP арматуры создать больший запас безопасности.

Следует еще раз подчеркнуть, что аналитические методологии, представленной в настоящем документе, впервые за многие шаги, необходимые для разработки единой методологии дизайна FRP железобетонных колонн и, следовательно, должны быть дополнены экспериментальных исследований.

Нотация

^ К югу F = общая площадь FRP арматуры в колонне сечение

E ^ югу F = модуль упругости FRP арматуры

E ^ югу Ь = модуль упругости FRP арматуры при сжатии

E ^ югу футов = модуль упругости FRP арматуры при растяжении

е '^ к югу с = прочности бетона на сжатие

M ^ югу п = номинального момента

P ^ югу п = номинальная нагрузка по оси

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 340, 1998, ACI Дизайн Дизайн Справочник структурных железобетонных элементов в соответствии с метод расчета МСА 318-95, СП-17, 6-е издание, американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 482 с.

ACI Комитет 440, 1996, "современное состояние Доклад по волоконной-армированных пластиков (FRP) Арматура железобетонных конструкций (ACI 440R-96)," Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 68 с.

ACI Комитет 440, 2003, "Руководство по проектированию и строительству железобетонных с FRP бары (ACI 440.1R-03)," Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 41 с.

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

Choo, CC; Gesund, H.; и Харик, IE, 2003, "Влияние долгосрочной нагрузок на железобетонные колонны," Практика периодических структурных проектированию и строительству ASCE, V. 8, № 1, февраль, стр. . 57-60.

Choo, CC; Харик, IE и Gesund, H., 2006, "Сила прямоугольных бетонных колонн Усиленный FRP бары," Структурные ACI Journal, В. 103, № 3, май-июнь, с. 452-459.

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

GangaRao, HVS, и Vijay П.В., 1997, "Дизайн Бетонные Члены Усиленный GFRP бары," Известия-й Международный симпозиум по неметаллических (FRP) Арматура железобетонных конструкций (FRPRCS-3), Япония институт бетона, Саппоро , Японии, т. 1, с. 143-150.

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 и Международного симпозиума, SP-138, А. Нанни Долан и CW, ред. американские бетона институт, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, с. 671-685.

Лин, CH, и Ферлонг, RW, 1995, "Продольные границам Сталь для бетонных колонн", ACI Структурные Journal, В. 92. № 3, май-июнь, с. 282-287.

Logeman, R.; Уилер, W.; Mensch, L.; и Di Стейсио, J., 1933, обсуждение "железобетонная колонна-Предварительные исследования Заключительный доклад Комитета 105, и национальных меньшинств рекомендации по проектированию Формула железобетонных колонн, "ЖУРНАЛ ACI, Труды В. 30, сентябрь - октябрь, с. 78-90.

Мак-Грегор, JG, 1997, железобетона: механики и дизайна, 3rd Edition, Prentice Hall, Верховья реки седла, NJ, 939 с.

Нанни А., 1993, "Поведение при изгибе и проектирование железобетонных Использование FRP стержней," Журнал зданий и сооружений, В. 119, № 11, с. 3344-3359.

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

Ричарт, F., 1933, обсуждение "железобетонная колонна Исследование закрытия председатель Комитета 105", ACI ЖУРНАЛ, Труды В. 30, ноябрь-декабрь, с. 153-156.

Ричарт, F.; Бертен, R.; и Lyse И., 1933 ", железобетонная колонна-Предварительные исследования Заключительный доклад Комитета 105, и национальных меньшинств рекомендации по проектированию Формула железобетонных колонн," ACI ЖУРНАЛ, Труды В. 29 , № 6, февраль с. 275-284.

Териолт М., Benmokrane, B., 1998, "Действие FRP Отношение арматурой и бетоном прочности на изгиб Поведение бетонных балок," Журнал композиты для строительства, V. 2, № 1, с. 7-16.

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 анализа и проектирования; армированных волокном 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.