Experimentální zkoušky kroucených železobetonových nosníků

Prvky z prostého betonu a železobetonové prvky namáhané krouticími účinky v podobě interakcí s ohybovými, smykovými a normálovými složkami napětí se vyskytují prakticky v každé nosné konstrukci. Případy, kdy by v prvku či konstrukci vznikaly účinky pouze od kroucení, se dají téměř s jistotou vyloučit. Za optimální „laboratorně zkoušený“ prvek namáhaný kroucením je možné uvažovat takový prvek, který je zatížený kromě krouticích účinků pouze vlastní tíhou.
Existuje řada teoretických přístupů pro výpočet mezní únosnosti železobetonových prvků namáhaných prostým kroucením, např. Saint-Venantova teorie krouceného prvku, Prandtlova teorie kroucených průřezů, Rauschova teorie a další. Ze současných výpočtových metod se jedná především o teorii „Mezní analýza železobetonových prvků namáhaných kroucením“.
Článek popisuje výrobu a experimentální zkoušky železobetonových nosníků namáhaných prostým kroucením a porovnává hodnoty mezní únosnosti zjištěné experimentálními zkouškami s hodnotami určenými před zkouškami pomocí modifikované Rauschovy teorie.

VÝROBA NOSNÍKŮ A ZKUŠEBNÍCH TĚLES
V rámci projektu GA 103/02/P083 „Vývoj konečných prvků pro analýzu konstrukcí z kompozitních materiálů na bázi cementu“ byla ve zkušebně Ústavu stavebního zkušebnictví Fakulty stavební VUT v Brně vyrobena série tří železobetonových nosníků – N1, N2 a N3. Výroba nosníků včetně výroby normových zkušebních těles pro ověření a stanovení mechanických charakteristik použité třídy betonu probíhala ve druhé polovině února 2004. Pro výrobu nosníků byla použita ocelová forma o příčném průřezu obdélníkového tvaru o rozměrech 190 × 300 mm a délce 3.900 mm.
Receptura betonové směsi byla navržena na požadovanou třídu betonu C 20/25. Pro výrobu betonové směsi byla použita rotační bubnová míchačka s nuceným oběhem o objemu 50 litrů. Ke každému nosníku byla vyrobena série zkušebních těles (krychle, válce, hranoly) o minimální četnosti šesti vzorků. Z vyrobených zkušebních těles byly získány charakteristické vlastnosti betonu, a to objemová hmotnost betonu, pevnost betonu v tlaku a statický modul pružnosti betonu v tlaku. Pevnost betonu v tahu byla stanovena z pevnosti betonu v tlaku dle předpisu CEB-FIP MC 1990. Vyztužení nosníku bylo provedeno běžnou betonářskou výztuží řady 10 505 (R). Od každého jmenovitého profilu výztuže, tj. průměrů 8, 10 a 14, byly odzkoušeny vždy tři fragmenty o délce 300 mm, které byly použity pro získání skutečného materiálového modelu betonářské výztuže. Rozměry a vyztužení nosníku jsou znázorněny na obr. 1.

Obr. 1 – Schéma nosníku

PŘÍPRAVA ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKY
V rámci příprav zatěžovacích zkoušek nosníků byla pro modelování dokonalého vetknutí jednoho konce nosníků vyrobena ocelová podporová lavice, zatěžovací rám s ocelovým ramenem pro vyvození krouticího momentu a ocelový rám pro sestavení zatěžovacího standardu (obr. 2). Zkušební nosníky byly na obou koncích opatřeny ocelovými krabicemi, ke kterým byla před betonáží nosníků přivařena nosná betonářská výztuž. Pomocí těchto ocelových krabic byly modelovány okrajové podmínky. Na jednom konci nosníku byl na ocelovou krabici osazen přípravek umožňující po otočení nosníku okolo své osy a na druhém konci byla ocelová krabice s částí nosníku usazena do podporové lavice, kterou bylo modelováno vetknutí nosníku. Přichycení nosníků k podporové lavici bylo provedeno pomocí ocelových roznášecích desek a příčných rámů sepnutých ocelovými závitovými tyčemi.

Obr. 2 – Ocelová podporová lavice, zatěžovací rám s ocelovým ramenem
pro vyvození krouticího momentu a ocelový rám pro sestavení
zatěžovacího standardu.

Přípravek umožňující pootočení nosníku okolo své osy se skládal ze dvou do sebe zapuštěných ocelových trubek. Možné tření vznikající uvnitř ocelových trubek bylo eliminováno dvěma kuličkovými ložisky typu ZKL. Na ocelovou krabici opatřenou přípravkem umožňující pootočení nosníku byl připevněn zatěžovací rám s ocelovým ramenem délky 500 mm (měřeno od střednice nosníků). Světlé rozpětí, tj. vzdálenost teoretického bodu vetknutí a zatěžovacího rámu s ocelovým ramenem, všech nosníků bylo 3,075 m.
Zkušební nosníky byly pro sledování případných posunů nosníků ve vetknutí osazeny 2 ks indukčnostních snímačů dráhy WA-T / 0,5 mm od firmy HBM (v 1⁄2 a 2⁄3 vetknutí). Indukčnostní snímače dráhy WA-T/2 mm byly použity ke sledování poměrných délkových deformací v polovině světlého rozpětí nosníků, ve směru kolmém na předpokládaný směr tahových trhlin. Zatížení bylo vnášeno přes hydraulický válec o maximální nosnosti 250 t rozepřený o zatěžovací rám s ocelovým ramenem (obr. 3). Velikost působící síly byla monitorována tenzometrickým siloměrem typu CSP-M-25t.
Pootočení nosníku bylo monitorováno potenciometrickým snímačem dráhy, který byl osazen na vnější ocelové trubce přípravku pro pootočení nosníku okolo své osy. Velikost pootočení nosníků byla stanovena z výchylky a známého průměru trubky. Všechny snímače byly připojeny k měřící ústředně Spider 8. Data byla snímána s ohledem na typ a charakter zatěžovací zkoušky (statická zatěžovací zkouška) o frekvenci záznamu 10 Hz.

STATICKÁ ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKA
Statické zatěžovací zkoušky železobetonových nosníků byly provedeny v polovině srpna 2004 ve zkušební laboratoři ústavu stavebního zkušebnictví. Při zkouškách byl zvolen zatěžovací krok 5 kN, kterému odpovídá při vyložení ocelového ramene zatěžovacího rámu délky 500 mm vnesený torzní účinek na nosník 2,5 kNm. V každém sledovaném zatěžovacím kroku byly zakreslovány vzniklé trhliny a jejich průběh včetně měření jejich šířek (obr. 4). Trhliny se na všech zkušebních nosnících začaly projevovat při torzním momentu 5 kNm. Mezní šířka trhliny 0,2 mm byla zjištěna na všech třech zkušebních trámech při úrovni zatížení 12,5 kNm. Vznik a šíření nových trhlin byly pozorovány při vneseném torzním momentu okolo 15 kNm. Poté docházelo k rozšiřování stávajících trhlin až do dosažení mezního torzního momentu. Poté došlo k výraznému snížení zatěžovací síly a k extrémnímu nárůstu pootočení až do plného porušení nosníku. U nosníků N1 a N3 byla zkouška přerušena v momentě dosažení mezního torzního momentu. Až do meze porušení byl zatěžován pouze nosník s označením N2 (obr. 5a, 5b), kdy – jak je patrné z obrázku – došlo k rozevírání třmínkové výztuže v oblasti konečného porušení zkušebního nosníku. Velikost pootočení nosníku v okamžiku porušení nosníku je zřejmá z obr. 6 (pootočení při porušení dosahovalo velikosti až 7 stupňů na jednotkovou délku nosníku, celkové pootočení nosníku přesahovalo 20 °).

Obr. 3 – Zatížení bylo vnášeno přes hydraulický válec o maximální
nosnosti 250 t rozepřený o zatěžovací
rám s ocelovým ramenem.

VÝSLEDKY ZATĚŽOVACÍCH ZKOUŠEK
Experimentálně naměřené údaje byly zpracovány v tabulkovém editoru Microsoft Excel. Vyhodnocením dat z indukčnostních snímačů dráhy WA-T/0,5 mm umístěných ve vetknutí byly zjištěny tak malé posuny, že v porovnání s ostatními naměřenými údaji byl jejich vliv považován v konečném důsledku za nepodstatný, a tedy tyto posuny nebyly zahrnuty do vyhodnocení zatěžovacích zkoušek. Pro chování zatěžovacích nosníků během zkoušek byly velmi zajímavé údaje zjištěné potenciometrickým snímačem dráhy a tenzometrickým siloměrem, které byly snímány a zaznamenávány ústřednou Spider 8. Finálním výstupem z naměřených hodnot je proto graf závislosti torzního momentu na jednotkové délce pootočení nosníku (graf č. 1):

Graf č. 1

TEORETICKÝ VÝPOČET
Před zatěžovacími zkouškami byl proveden – pro přibližné určení velikosti mezního torzního momentu, respektive velikosti působící síly – výpočet podle modifikované Rauschovy teorie. Tato teorie je založena na Saint-Venantově závislosti napětí na poměrných deformacích. Pro mezní torzní moment obdélníkového průřezu platí vztah:

VÝSLEDKY ANALÝZ A JEJICH POROVNÁNÍ
Experimentálně zjištěné torzní momenty, při kterých bylo dosaženo mezní únosnosti konstrukce, a numerické výpočty modifikovanou Rauschovou teorií jsou poměrně v dobré shodě, rozdíl v získaných hodnotách je zhruba 10 % (tabulka 1).

Poměrně značný rozdíl v pootočení nosníků (graf č. 1) při vlastním zatěžování může být způsoben různými faktory, a to zejména délkou zatěžování jednotlivých nosníků, odlišnostmi při osazování nosníků do zatěžovacího standardu, možností nepřesného uložení nosníku v ose otáčení atd.

Celý nezkrácený příspěvek naleznete v ČB příloze časopisu Konstrukce 2/2007.

Autor

• (red)