Tünel kaplaması için çelik elyaf takviyeli beton (SFRC)
Lif çekme davranışı, lif şekli, boyutu ve eğim açısı gibi faktörler dikkate alınarak deneysel olarak incelenmiştir. Ayrıca, aşağıdaki bölümlerde çelik fiber beton kaplamayı tam olarak tanımlamak için oluşturulan deneyler ve ilgili sayısal modeller sunulmaktadır.
2. Yerel alan yükü altında çelik lifli beton
Giriş bölümünde de belirtildiği gibi, kaplama bölümleri inşaat ve son aşamalarda oldukça yoğun yüklere (yani yerel alan yüklerine) maruz kalır. Ortaya çıkan çatlama çekme gerilmeleri genellikle tasarımda belirleyici bir faktördür ve uygun takviyeyle karşı konulması gerekir. Çelik fiberle güçlendirilmiş betonun kullanılması, yük taşıma kapasitesini artırabilir ve bu tür yoğun yükleme durumları altında kırılma davranışını olumlu yönde etkileyebilir. Çelik lifli betonun özellikle kaplama segmentlerinde optimum uygulamasını gerçekleştirmek amacıyla, çelik lifli betonun kısmi bölge yüklemesi altında yük taşıma ve kırılma davranışı üzerine sistematik deneysel ve sayısal bir çalışma yapılmıştır.
(1) Yerel alan yükü altında SFRC üzerine deneysel araştırma
SFRC'nin lokalize bölgesel yükleme altında yük taşıma ve kırılma davranışını karakterize etmek amacıyla, fiberle ilgili olmayan ve fiberle ilgili değişken parametreler içeren tam ölçekli bir deney gerçekleştirildi. Lif ile ilgili olmayan değişkenler arasında beton mukavemeti, numune boyutu, alan oranı ve yük dışmerkezliği yer alır. Ayrıca, kaplama bölümlerinin çevresel ve uzunlamasına birleşim yerlerinde meydana gelen ilgili iki konsantre yük durumu dikkate alınarak, uzaysal (yani nokta yükler) ve alansal (yani şerit yükleri) olarak dağıtılan yerel yüzey yükleri dikkate alınır. Lif ile ilgili faktörler arasında lif özellikleri (örneğin, mukavemet, boyut, geometri ve en boy oranı), lif içeriği ve yönelimi ve farklı lif türlerinin kombinasyonları (örneğin, lif karışımları) yer alır.
İncelenen beton temel karışımı tasarımı, kaplama bölümlerinde yaygın olarak kullanılanla aynıdır.
Örnek olarak 150 mm x 150 mm x 300 mm'lik bir numune alınarak, yerel alan yüklemesine yönelik test cihazı gösterilmiştir.
Çeşitli parametrelerin yük taşıma ve kırılma davranışı üzerindeki etkisi, nihai yerel basınç gerilimi (yani nihai yük taşıma kapasitesi), gerilim-yer değiştirme tepkisi ve hasar ve çatlama özellikleri analiz edilerek araştırıldı. Daha sonra bazı ana sonuçlar ve temel bulgular sunulmaktadır.
(2) Alan oranı ve lif ilave miktarı
Eşmerkezli uzayda yerel alan yükünün etkisi altında alan oranı (= /=2.25, 4, 9 ve 16) ve fiber ilavesi (60 kg/m3 kanca uçlu çelik fiber) yüksek dayanımlı betonun (=84.5 MPa) yerel basınç gerilimi ve boyuna ilişkisi üzerinde farklı etkileri vardır. Yer değiştirme tepkisinin etkisi. Aşağıdaki çalışmalarda yerel basınç geriliminin, uygulanan yükün yüklenen alana bölünmesiyle tanımlandığına dikkat edin.
Gerilim-yer değiştirme eğrisinden, çelik liflerin eklenmesinin betonun nihai yerel basınç gerilimini önemli ölçüde artırabileceği (%47'ye kadar) görülebilir. Sıradan betonla karşılaştırıldığında çelik liflerin yük taşıma kapasitesine etkisinin daha yüksek alan oranlarında daha belirgin olduğu görülmektedir.
Beklendiği gibi, sade beton ve çelik lifli betonun nihai yerel basınç gerilmesi, çevredeki betonun sarma etkisinden dolayı alan oranının artmasıyla da önemli ölçüde artmaktadır. Uzaydaki yerel alan yükleri durumunda, nihai yerel basınç gerilmesi ile alan oranının karekökü arasındaki orantısal ilişki açıkça belirlenebilir. Düzlem yüklemeli yerel alan yüklemesi durumunda sınırlama etkisi eksik olduğundan, nihai yerel basınç gerilmesindeki artış nispeten düşüktür. Bu durumda alan oranının küp köküyle orantılı olduğu bulunmuştur. Bu korelasyonlar, yüksek mukavemetli SFRC'nin dayanabileceği yerel gerilimlerin hesaplanması için bir temel sağlar.
Maksimum gerilime ulaştıktan kısa bir süre sonra PC'nin gerilim-yer değiştirme eğrisi keskin bir düşüş gösterdi; bu da numunenin test sırasında aniden hasar gördüğünü gösteriyor. Buna karşılık, SFRC, sünek kopma davranışına karşılık gelen, yer değiştirmenin artmasıyla birlikte kademeli olarak azalan gerilim karakteristiği sergiler. Kısmi alan yükü düzlemsel dağılımı durumunda bu etki, tamamen sınırlandırılmadığından daha az belirgindir.
Yüksek mukavemetli PC ve SFRC numunelerinin karşılık gelen gerilim-yer değiştirme eğrileriyle birlikte tipik kırılma modları. Genel olarak, nihai yüke yaklaşana kadar PC ve SFRC'de gözle görülür herhangi bir çatlama veya dökülme gözlemlenmedi. Kısa bir süre sonra, tüm PC numuneleri, özellikle yüksek dayanımlı beton durumunda, yük-yer değiştirme eğrisinde keskin bir düşüşle birlikte, az ya da çok parçalı koşullarda başarısız oldu. Büyük alan oranlarında, test boyunca tek bir büyük yarılma çatlağı gelişti ve yan yüzeyden tabana kadar nüfuz etti; küçük alan oranlarında ise PC numunesi tamamen çöktü. Buna karşılık, tüm SFRC numuneleri testin sonuna kadar bütünlüklerini korudu ve birden fazla çatlak modeli sergiledi. Büyük alan oranı altında, SFRC numunesinin üst kısmında çoğunlukla çatlaklar ve az miktarda beton dökülmesi meydana geldi. Alan oranı azaldıkça alt yarıda da çatlaklar ve dökülmeler daha fazla gelişme eğilimindedir.
(3) Lif türü ve karışımı
Çelik fiberlerin çekilme davranışının incelenmesinden, fiberlerin özelliklerinin aynı zamanda yerel alan yüklemesi altında SFRC'nin yük taşıma ve kırılma davranışı üzerinde de önemli bir etkiye sahip olduğu sonucuna varılabilir. 60kg/m3 fiber içeriğinde (uzaysal yük dağılımı, δ=9) farklı türde çelik fiberler kullanılarak hazırlanan yüksek mukavemetli SFRC'nin nihai yerel basınç gerilimi gösterilmektedir. PC ile karşılaştırıldığında, nihai yerel basınç geriliminin artan oranı %28 ile %51 arasında değişmektedir. Beklendiği gibi, yüksek mukavemetli kanca uçlu büyük boyutlu fiberlerin (Lh60) nihai yük taşıma kapasitesinin arttırılmasında en etkili olduğu ortaya çıktı. Ancak test, yüksek mukavemetli büyük boyutlu fiberler kullanılarak hazırlanan SFRC'nin, normal mukavemetli büyük boyutlu fiberler (L60) ile hazırlanan SFRC'ye kıyasla nihai yük taşıma kapasitesini yalnızca %15 artırdığını buldu. Çekme testi, yüksek mukavemetli elyafın nihai yük taşıma kapasitesinin olduğunu gösterdi. Çekme yükü, normal mukavemetli elyafın neredeyse iki katıdır.
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). Farklı elyaf karışımları üzerinde yapılan çalışmalar, kanca uçlu mikro elyaflar ile düz elyafların kombinasyonunun bu tür yükleme koşulları altında en avantajlı olduğunu kanıtladı. Karşılaştırılan iki elyaf karışımının nihai yerel basınç gerilimi hemen hemen aynı olmasına rağmen, %50 büyük boyutlu elyaf ve %50 mikro elyaftan (SFRC L60+S60) oluşan SFRC'nin daha sünek bir davranışa sahip olduğu görülebilir. çatlak sonrası aşamada ( SFRC L40+M40+S40 ile karşılaştırıldığında). Lif karışımının takviye etkisi nedeniyle, yük taşıma ve kırılma davranışı üzerindeki olumlu etkisi özellikle yerel eksantrik yüklemede belirgindir.
(4) Fiber Yönü
Çekme gerilimi yönü boyunca hizalanan liflerin en iyi çatlak köprüleme yeteneğine sahip olduğu iyi bilinmektedir. Yerel alan yüklemesi durumunda, yükleme yönüne dik olan çatlama çekme gerilimi genellikle tolere edilebilir yerel basınç gerilimini sınırlar ve hasar moduna hakim olur. Bu nedenle, fiber yöneliminin, lokalize yükleme altında SFRC'nin yük taşıma ve kırılma davranışı üzerinde önemli bir etkiye sahip olması beklenebilir. Bu etkiyi incelemek için, dikey ve yatay kalıplarda numuneler üretilerek fiber yönelimi kontrol edildi ve SFRC üzerinde yerel alan yükleme testleri yapıldı.
Yükleme yönüne göre üç uzamsal yönde (x, y, z) çelik liflerin (60 kg/m3 kanca uçlu büyük ebatlı lifler) yüzdesi elektromanyetik ekipmanla ölçülmüş ve hazırlanan SFRC numuneleri dikey ve yatay kalıplarla ölçülmüştür. Karşılaştırıldı. (150 mm x 150 mm x 300 mm). Yatay kalıp numunesinde liflerin yaklaşık %46'sı yükleme yönünde yönlendirilmiştir. Bu nedenle, ayakta duran numunelerle karşılaştırıldığında daha az sayıda lif, yerel alan yük dağılımının ana çekme gerilimi yönlerine karşılık gelen, yükleme yönüne dik iki yön boyunca yönlendirilir. Sonuçlar, yatay kalıpta hazırlanan numunenin nihai yerel basınç gerilme değerinin önemli ölçüde (%23'e kadar) azaldığını göstermektedir. Ayrıca, nihai yerel basınç gerilimine ulaşıldıktan sonra gerilim-yer değiştirme eğrisi, gerilimde keskin bir düşüşle karakterize edilir ve daha az sünek bir hasar davranışı sergiler. Bu etki aynı zamanda bağımsız alan oranlarının deneysel durumunda da gösterilmiştir.
Yerel alan yüklemesi durumunda, dökme yönüne (dikey/yatay kalıp) bağlı olarak liflerin baskın yönelimi üzerindeki etki daha önemlidir, çünkü bu durumda ana Çekme gerilmeleri esas olarak enine yönde (kalıp çizgisine dik) etki eder. yükleme yönü).
• Elyaf boyutu:
Bireysel fiber ve matris seviyelerinde, bireysel fiberlerin sıyrılma davranışı arayüz koşulları, fiber şekli ve çatlağa göre fiber eğim açısı tarafından kontrol edilir. Tek bir fiberin, fiber ağırlık merkezinin konumuna ve çatlak düzlemine göre eğim açısına bağlı olan çekme kuvveti-yer değiştirme ilişkisini tahmin eden yarı analitik bir model geliştirildi. Model, farklı fiber türü ve mukavemet konfigürasyonlarını dikkate alarak, beton matris içine gömülü tek bir çelik fiberin (kanca ucunun düzleştirilmesi, betonun dökülmesi ve fiber kırılması) çıkarılması işlemi sırasında etkinleştirilen ana mekanizmaları yakalayabilmektedir. beton mukavemeti, fiber eğim açısı ve gömme uzunluğu.
• Çatlak boyutu:
Lif takviyeli beton kompozit içindeki çatlama çatlakları seviyesinde, çatlaklardan geçen lifler etkinleştirilir ve lif içeriğine ve lif yönelimine bağlı olarak artık çatlak sonrası mukavemet sağlar. Çok seviyeli SFRC modelinde, çatlak sonrası tepki, çatlaktan geçen tüm bireysel fiberlerin çekme kuvveti-yer değiştirme ilişkilerini entegre ederek fiber anizotropi yönlerini hesaba katan bir gerilme ayırma yöntemiyle yaklaşık olarak hesaplanır.
• Yapısal boyutlar:
Yapısal ölçekte, kırılma sonrası davranış, yoğunlaştırılmış arayüz elemanlarına dayanan ayrı bir çatlak modeli aracılığıyla yakalanır. Arayüz elemanları, düzenli sonlu elemanlar (hacim elemanları) arasına yerleştirilir; bu, kırıkların ayrı ayrı haritalanmasına olanak tanır ve doğrudan çatlak genişliği bilgisi sağlar. Arayüz elemanlarının davranışı, çatlak ölçeğinde çok seviyeli SFRC modellerinden türetilen esneme ayırma kuralları tarafından yönetilir. Çelik çubukların varlığını hesaba katmak için, ayrı çelik çubukların ağdan bağımsız temas bazlı bir temsili de geliştirildi. Çelik çubuklar kafes elemanlar olarak modellenmiştir ve çelik çubuk elemanları üzerindeki kontrol noktaları ile bunların gömülü hacim elemanlarındaki projeksiyon noktaları arasında bulunan kısıtlamalar aracılığıyla beton matrise bağlanmıştır. Kısıtlamalarda bağ-kayma mekanizması sağlanmış olup, çeliğin elastik-plastik v.Mises akma yüzeyi ve doğrusal sertleşmesi dikkate alınmıştır.
