English
Język Polski
Właściwości ściskanych prętów BFRP
DOI:
https://doi.org/10.24425/ace.2022.141884Abstrakt
Obecnie niezwykle dynamicznie rozwija się zastosowanie materiałów kompozytowych o wysokich parametrach użytkowych takich jak pręty BFRP (Basalt Fiber Reinforced Polymers) jako zamiennika tradycyjnego zbrojenia stalowego w budownictwie. W artykule przedstawiono ocenę wytrzymałości na obciążenie wyboczeniowe prętów BFRP, co umożliwia ich wykorzystanie, jako zbrojenia w betonowych elementach ściskanych (słupy) oraz w strefie ściskanej elementów zginanych (np. belki i płyty). W porównaniu ze zbrojeniem stalowym, pręty BFRP mają kilka istotnych zalet. Są to między innymi mały ciężar, wysoka wytrzymałość na rozciąganie, odporność na korozję, przezroczystość na pola magnetyczne. Natomiast w porównaniu do najbardziej rozpowszechnionych prętów GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymers) wykazują zdecydowanie większą odporność na alkalia i kwasy. Włókna bazaltowe nie reagują toksycznie z powietrzem, wodą ani innymi chemikaliami, które mogą być niebezpieczne dla ludzi lub mogą zanieczyścić środowisko. Ponadto włókna bazaltowe nie są rakotwórcze. W trakcie recyklingu włókna przekształcają się w czarny proszek, który można łatwo usunąć z komory spalania i można go wykorzystać jako wypełniacz do różnych zastosowań. Przeprowadzono jakościową i półilościową analizę składu pierwiastkowego przy użyciu spektrometru dyspersji energii wtórnego promieniowania X (EDS) które dostarczyły istotne informacje dotyczące składu prętów BFRP. We włóknach bazaltowych stwierdzono, obecność dominujących związków SiO2 i Al2O3, które występują także we włóknach szklanych. Ponadto odnotowano obecność związków żelaza Fe2O3 i FeO mających wpływ na fizyko-mechaniczne właściwości włókien bazaltowych, takich jak gęstość (2,73 g/cm3 dla włókien bazaltowych, w porównaniu do 2,54 g/cm3 dla włókien szklanych typu E), kolor (od brązowego do matowo zielonego, w zależności od zawartości FeO), a także mniejsze przewodnictwo cieplne i lepsza stabilność temperaturowa w porównaniu z włóknami szklanymi. Ustalono w badaniu metodą BSE konfigurację oraz niewielki rozrzut w średnicach włókien bazaltowych wchodzących w skład pręta BFRP. Zachowanie prętów BFRP podczas ściskania dotychczas nie zostało określone. W programie badawczym zbadano 45 próbek BFRP o nominalnej średnicy 8 mm ze względu na ściskanie o zróżnicowanej długości niezakotwionej. Dla próbek o długości niezakotwionej do 85 mm zniszczenie następowało przez zgniatanie. Pręty o długości niezakotwionej większej od 120 mm ulegały zniszczeniu w wyniku globalnego wyboczenia pręta a następnie pękania włókien. Na podstawie zależności wytrzymałość na obciążenie wyboczeniowe - niezakotwiona długość pręta ustalono optymalną długość niezakotwioną pręta BFRP, dla której wytrzymałość na obciążenie wyboczeniowe osiąga największą wartość. Wraz ze wzrostem długości niezakotwionej wytrzymałość na obciążenie wyboczeniowe ulegała zmniejszeniu. Moduł sprężystości przy ściskaniu dla zmiennych długości niezakotwionych próbek nieznacznie się różnił, a jego wartość zbliżona była do modułu sprężystości przy rozciąganiu. Określono zależność między wytrzymałością na obciążenie wyboczeniowe a długością niezakotwioną prętów BFRP, co przyczyni się do optymalizacji rozstawu zbrojenia poprzecznego w elementach ściskanych oraz do opracowania przepisów normowych w obszarze elementów ze zbrojeniem ściskanym.Bibliografia
[1] M. Aslam, P. Shafigh, M.Z. Jumaat, S.N.R. Shah, “Strengthening of RC Beams Using Prestressed Fiber Reinforced Polymers - A Review”, Construction and Building Materials, 2015, vol. 82, pp. 235-256, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.02.051.
[2] S.S. Zhang, T. Yu, G.M. Chen, “Reinforced Concrete Beams Strengthened in Flexure with Near-Surface Mounted (NSM) CFRP Strips: Current Status and Research Needs”, Composites Part B: Engineering, 2017, vol. 131, pp. 30-42, DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.07.072.
[3] K. Protchenko, E.D. Szmigiera, M. Urbański, A. Garbacz, “Development of Innovative HFRP Bars”, MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 196, pp. 1-6, DOI: 10.1051/matecconf/201819604087.
[4] N. Ţăranu, G. Oprişan, D. Isopescu, I. Enţuc, V. Munteanu, C. Banu, “Fibre Reinforced Polymer Composites as Internal and External Reinforcements for Building Elements”, Buletinul Institutului Politehnic Din Iasi, 2008, vol. 54, no. 1, pp. 7-20.
[5] R. Kotynia, FRP Composites for Flexural Strengthening of Concrete Structures Theory, Testing, Design. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2019.
[6] K. Protchenko, M. Włodarczyk, E.D. Szmigiera, “Investigation of Behavior of Reinforced Concrete Elements Strengthened with FRP”, Procedia Engineering, 2015, vol. 111, pp. 679-686, DOI: 10.1016/j.proeng.2015.07.132.
[7] A. Garbacz, E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, “On Mechanical Characteristics of HFRP Bars with Various Types of Hybridization”, in M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb, M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb (Eds.), International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018): Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure. Washington: Springer, 2018, pp. 653-658, DOI: 10.1007/978-3-319-78175-4_83.
[8] R.V. Balendran, T.M. Rana, T. Maqsood, W.C. Tang, “Application of FRP Bars as Reinforcement in Civil Engineering Structures”, Structural Survey, 2002, vol. 20, no. 2, pp. 62-72, DOI: 10.1108/02630800210433837.
[9] L.C. Hollaway, Polymer Composites for Civil and Structural Engineering. Blackie Academic and Professional Glasgow, 1993, pp. 12-62.
[10] K. Protchenko, J. Dobosz, M. Urbański, A. Garbacz, “Wpływ Substytucji Włókien Bazaltowych przez Włókna Węglowe na Właściwości Mechaniczne Prętów B/CFRP (HFRP)”, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, JCEEA, 2016, vol. 63, no. 1/1, pp. 149-156.
[11] Eurocode 2: Design of Concrete Structures - Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings. 2008.
[12] ACI 318-19 Building Code Requirements for Structural Concrete. Detroit, Michigan: ACI Committee 318, 2019.
[13] ACI 440.1R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. American Concrete Institute: Detroit, Michigan, 2006.
[14] ACI 440.1R-15 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. American Concrete Institute: Detroit, Michigan, 2015.
[15] CNR-DT 203 Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fiber Reinforced Polymer Bar. Rome, Italy: National Research Council, 2006.
[16] Canadian Standards Association CAN/CSA S806-12 Design and Construction of Building Components with Fiber Reinforced Polymers. Toronto: Rexdale, 2012.
[17] M. Urbański, A. Łapko, A. Garbacz, ”Investigation on Concrete Beams Reinforced with Basalt Rebars as an Effective Alternative of Conventional R/C Structures”, Procedia Engineering, 2013, vol. 57, pp. 1183-1191, DOI: 10.1016/j.proeng.2013.04.149.
[18] J. Sim, C. Park, D. Moon, “Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures”, Composites Part B- Engineering, 2005, vol. 36, no. 6-7, pp. 504-512, DOI: 10.1016/j.compositesb.2005.02.002.
[19] H. Zhu, G. Wu, L. Zhang, J. Zhang, D. Hui, “Experimental Study on the Fire Resistance of RC Beams Strengthened with Near-Surface-Mounted High-Tg BFRP Bars”, Composites Part B: Engineering, 2014, vol. 60, pp. 680-687, DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.01.011.
[20] “Kamenny Vek”. [Online]. Available: https://basfiber.com/products. [Accessed: 15.02.2020].
[21] B.W. Rosen, “Mechanics of Composite Strengthening, Fiber Composite Materials”, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1965, vol. 37, pp. 37-75.
[22] C.R. Schultheisz, A.M. Waas, “Compressive Failure of Composites, Part I: Testing and micromechanical theories”, Progress in Aerospace Sciences, 1996, vol. 32, no. 1, pp. 1-42, DOI: 10.1016/0376-0421(94)00002-3.
[23] N.A. Fleck, B. Budiansky, “Compressive Failure of Fibre Composites Due to Microbuckling”, in: Inelastic Deformation of Composite Materials. International Union of Theoretical and Applied Mechanics, G.J. Dvorak, Ed. New York: Springer, 1991.
[24] P.K. Mallick, Fiber Reinforced Composites, Materials, Manufacturing, and Design. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008.
[25] J. Militky, V. Kovacic, “Ultimate Mechanical Properties of Basalt Filaments”, Textile Research Journal, 1996, vol. 66, no. 4, pp. 225-229, DOI: 10.1177/004051759606600407.
[26] W. Mingchao, Z. Zuoguang, L. Yubin, L. Min, S. Zhijie, “Chemical Durability and Mechanical Properties of Alkali-Proof Basalt Fiber and its Reinforced Epoxy Composites”, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2008, vol. 27, no. 4, pp. 393-407, DOI: 10.1177/0731684407084119.
[27] A. Garbacz, E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, “On Mechanical Characteristics of HFRP Bars with Various Types of Hybridization”, in International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018): Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure, M.M. Reda Taha, Eds. Washington: Springer, 2018, pp. 653-658, DOI: 10.1007/978-3-319-78175-4_83.
[28] A. Garbacz, M. Urbański, A. Łapko, “BFRP Bars as an Alternative Reinforcement of Concrete Structures - Compatibility and Adhesion Issues”, Advanced Materials Research, 2015, vol. 1129, pp. 233-241, DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1129.233.
[29] ACI440.3R-12. Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures. Farmington Hills, MI, USA: ACI, 2012.
Pobrania
Opublikowane
Jak cytować
Numer
Dział
