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Vier Elemente aus Gummibetonstahlrohren (RuCFST), ein Element aus Betonstahlrohren (CFST) und ein Leerelement wurden unter reinen Biegebedingungen getestet.Die Hauptparameter sind das Scherverhältnis (λ) von 3 bis 5 und das Gummiersatzverhältnis (r) von 10 % bis 20 %.Es werden eine Biegemoment-Dehnungs-Kurve, eine Biegemoment-Durchbiegungs-Kurve und eine Biegemoment-Krümmungs-Kurve erhalten.Es wurde die Art der Zerstörung von Beton mit Gummikern analysiert.Die Ergebnisse zeigen, dass die Art des Versagens der RuCFST-Mitglieder Biegeversagen ist.Risse im Gummibeton werden gleichmäßig und sparsam verteilt und das Füllen des Kernbetons mit Gummi verhindert die Entstehung von Rissen.Das Scher-zu-Spannungs-Verhältnis hatte kaum Einfluss auf das Verhalten der Probekörper.Die Gummiaustauschrate hat wenig Einfluss auf die Fähigkeit, einem Biegemoment standzuhalten, hat jedoch einen gewissen Einfluss auf die Biegesteifigkeit der Probe.Nach dem Füllen mit Gummibeton sind im Vergleich zu Proben aus einem leeren Stahlrohr die Biegefähigkeit und Biegesteifigkeit verbessert.
Aufgrund ihrer guten seismischen Leistung und hohen Tragfähigkeit werden traditionelle Stahlbetonrohrkonstruktionen (CFST) in der modernen Ingenieurpraxis häufig verwendet1,2,3.Als neuartiger Gummibeton werden Gummipartikel verwendet, um natürliche Zuschlagstoffe teilweise zu ersetzen.RuCFST-Strukturen (Rubber Concrete Filled Steel Pipe) werden durch Füllen von Stahlrohren mit Gummibeton gebildet, um die Duktilität und Energieeffizienz von Verbundstrukturen zu erhöhen4.Es nutzt nicht nur die hervorragende Leistung der CFST-Mitglieder, sondern nutzt auch Gummiabfälle effizient, was den Entwicklungsanforderungen einer grünen Kreislaufwirtschaft entspricht5,6.
In den letzten Jahren wurde das Verhalten traditioneller CFST-Elemente unter axialer Belastung7,8, axialer Last-Moment-Wechselwirkung9,10,11 und reiner Biegung12,13,14 intensiv untersucht.Die Ergebnisse zeigen, dass die Biegekapazität, Steifigkeit, Duktilität und Energiedissipationskapazität von CFST-Säulen und -Trägern durch die interne Betonfüllung verbessert werden und eine gute Bruchduktilität aufweisen.
Derzeit haben einige Forscher das Verhalten und die Leistung von RuCFST-Säulen unter kombinierten axialen Belastungen untersucht.Liu und Liang15 führten mehrere Experimente mit kurzen RuCFST-Säulen durch und verglichen mit CFST-Säulen verringerten sich die Tragfähigkeit und Steifigkeit mit zunehmendem Kautschuksubstitutionsgrad und Kautschukpartikelgröße, während die Duktilität zunahm.Duarte4,16 testete mehrere kurze RuCFST-Säulen und zeigte, dass die RuCFST-Säulen mit zunehmendem Kautschukgehalt duktiler waren.Liang17 und Gao18 berichteten auch über ähnliche Ergebnisse zu den Eigenschaften glatter und dünnwandiger RuCFST-Pfropfen.Gu et al.19 und Jiang et al.20 untersuchten die Tragfähigkeit von RuCFST-Elementen bei hohen Temperaturen.Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Gummi die Duktilität der Struktur erhöhte.Mit steigender Temperatur nimmt die Tragfähigkeit zunächst leicht ab.Patel21 analysierte das Druck- und Biegeverhalten von kurzen CFST-Trägern und -Säulen mit runden Enden unter axialer und einachsiger Belastung.Computermodellierung und parametrische Analyse zeigen, dass faserbasierte Simulationsstrategien die Leistung kurzer RCFSTs genau untersuchen können.Die Flexibilität nimmt mit dem Seitenverhältnis und der Festigkeit von Stahl und Beton zu und nimmt mit dem Verhältnis von Tiefe zu Dicke ab.Im Allgemeinen verhalten sich kurze RuCFST-Säulen ähnlich wie CFST-Säulen und sind duktiler als CFST-Säulen.
Aus der obigen Übersicht geht hervor, dass sich RuCFST-Säulen nach der ordnungsgemäßen Verwendung von Gummizusätzen im Grundbeton von CFST-Säulen verbessern.Da keine Axiallast vorhanden ist, erfolgt die Nettobiegung an einem Ende des Stützenträgers.Tatsächlich sind die Biegeeigenschaften von RuCFST unabhängig von den Axiallasteigenschaften22.In der praktischen Technik werden RuCFST-Strukturen häufig Biegemomentbelastungen ausgesetzt.Die Untersuchung seiner reinen Biegeeigenschaften hilft bei der Bestimmung der Verformungs- und Versagensmodi von RuCFST-Elementen unter seismischer Einwirkung23.Für RuCFST-Strukturen ist es notwendig, die reinen Biegeeigenschaften der RuCFST-Elemente zu untersuchen.
Hierzu wurden sechs Proben getestet, um die mechanischen Eigenschaften rein gebogener Vierkantrohrelemente aus Stahl zu untersuchen.Der Rest dieses Artikels ist wie folgt aufgebaut.Zunächst wurden sechs Probekörper mit quadratischem Querschnitt mit oder ohne Gummifüllung getestet.Beobachten Sie für die Testergebnisse den Fehlermodus jeder Probe.Zweitens wurde die Leistung von RuCFST-Elementen beim reinen Biegen analysiert und die Auswirkung eines Scher-zu-Spannungs-Verhältnisses von 3–5 und eines Gummiersatzverhältnisses von 10–20 % auf die strukturellen Eigenschaften von RuCFST diskutiert.Abschließend werden die Unterschiede in der Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit zwischen RuCFST-Elementen und traditionellen CFST-Elementen verglichen.
Sechs CFST-Proben wurden fertiggestellt, vier mit Gummibeton gefüllt, einer mit Normalbeton gefüllt und der sechste war leer.Die Auswirkungen der Gummiänderungsrate (r) und des Spannweitenscherverhältnisses (λ) werden diskutiert.Die Hauptparameter der Probe sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der Buchstabe t bezeichnet die Rohrdicke, B ist die Länge der Seite der Probe, L ist die Höhe der Probe, Mue ist die gemessene Biegekapazität, Kie ist der Anfangswert Biegesteifigkeit, Kse ist die Biegesteifigkeit im Betrieb.Szene.
Die RuCFST-Probe wurde aus vier paarweise verschweißten Stahlplatten hergestellt, um ein hohles quadratisches Stahlrohr zu bilden, das dann mit Beton gefüllt wurde.An jedem Ende der Probe ist eine 10 mm dicke Stahlplatte angeschweißt.Die mechanischen Eigenschaften des Stahls sind in Tabelle 2 aufgeführt. Gemäß der chinesischen Norm GB/T228-201024 werden die Zugfestigkeit (fu) und die Streckgrenze (fy) eines Stahlrohrs durch ein Standard-Zugversuchsverfahren bestimmt.Die Testergebnisse liegen bei 260 MPa bzw. 350 MPa.Der Elastizitätsmodul (Es) beträgt 176 GPa und die Poissonzahl (ν) von Stahl beträgt 0,3.
Während der Prüfung wurde die kubische Druckfestigkeit (fcu) des Referenzbetons am 28. Tag mit 40 MPa berechnet.Die Übersetzungsverhältnisse 3, 4 und 5 wurden basierend auf der vorherigen Referenz 25 ausgewählt, da dies zu Problemen mit der Schaltübertragung führen kann.Zwei Gummiersatzraten von 10 % und 20 % ersetzen Sand in der Betonmischung.In dieser Studie wurde herkömmliches Reifengummipulver von Tianyu Cement Plant (Marke Tianyu in China) verwendet.Die Partikelgröße von Gummi beträgt 1-2 mm.Tabelle 3 zeigt das Verhältnis von Gummibeton und Mischungen.Für jede Art von Gummibeton wurden drei Würfel mit einer Seitenlänge von 150 mm gegossen und unter den in der Norm vorgeschriebenen Testbedingungen ausgehärtet.Der in der Mischung verwendete Sand ist kieselsäurehaltiger Sand und der grobe Zuschlagstoff ist Karbonatgestein in der Stadt Shenyang im Nordosten Chinas.Die kubische Druckfestigkeit (fcu), die prismatische Druckfestigkeit (fc') und der Elastizitätsmodul (Ec) nach 28 Tagen für verschiedene Gummiersatzverhältnisse (10 % und 20 %) sind in Tabelle 3 aufgeführt. Implementieren Sie den Standard GB50081-201926.
Alle Prüflinge werden mit einem Hydraulikzylinder mit einer Kraft von 600 kN geprüft.Bei der Belastung werden zwei konzentrierte Kräfte symmetrisch auf den Vierpunkt-Biegeprüfstand eingeleitet und anschließend auf die Probe verteilt.Die Verformung wird durch fünf Dehnungsmessstreifen auf jeder Probenoberfläche gemessen.Die Abweichung wird mit drei Wegsensoren beobachtet, die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt sind. 1 und 2.
Der Test verwendete ein Vorspannungssystem.Laden Sie mit einer Geschwindigkeit von 2 kN/s, pausieren Sie dann bei einer Last von bis zu 10 kN und prüfen Sie, ob sich Werkzeug und Wägezelle in einem normalen Betriebszustand befinden.Innerhalb des elastischen Bandes gilt jede Lasterhöhung für weniger als ein Zehntel der vorhergesagten Spitzenlast.Wenn das Stahlrohr verschleißt, beträgt die aufgebrachte Last weniger als ein Fünfzehntel der vorhergesagten Spitzenlast.Halten Sie nach jeder Belastungsstufe während der Belastungsphase etwa zwei Minuten lang gedrückt.Wenn sich die Probe dem Versagen nähert, verlangsamt sich die Geschwindigkeit der kontinuierlichen Belastung.Wenn die Axiallast weniger als 50 % der Endlast erreicht oder offensichtliche Schäden an der Probe festgestellt werden, wird die Belastung beendet.
Die Zerstörung aller Probekörper zeigte eine gute Duktilität.In der Zugzone des Stahlrohrs des Prüfstücks wurden keine offensichtlichen Zugrisse festgestellt.Typische Schadensarten an Stahlrohren sind in Abb. dargestellt.3. Am Beispiel der Probe SB1 befindet sich die Probe SB1 im Anfangsstadium der Belastung, wenn das Biegemoment weniger als 18 kN·m beträgt, im elastischen Stadium ohne offensichtliche Verformung und die Anstiegsrate des gemessenen Biegemoments ist größer als die Geschwindigkeit der Krümmungszunahme.Anschließend ist das Stahlrohr in der Zugzone verformbar und geht in die elastisch-plastische Stufe über.Wenn das Biegemoment etwa 26 kNm erreicht, beginnt sich die Druckzone des Mittelspannstahls auszudehnen.Mit zunehmender Belastung entwickeln sich Ödeme allmählich.Die Last-Weg-Kurve nimmt erst dann ab, wenn die Belastung ihren Höhepunkt erreicht.
Nach Abschluss des Experiments wurden die Proben SB1 (RuCFST) und SB5 (CFST) geschnitten, um den Versagensmodus des Basisbetons deutlicher zu beobachten, wie in Abb. 4 dargestellt. Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass die Probe Risse aufweist SB1 sind gleichmäßig und spärlich im Grundbeton verteilt, der Abstand zwischen ihnen beträgt 10 bis 15 cm.Der Abstand zwischen den Rissen in Probe SB5 beträgt 5 bis 8 cm, die Risse sind unregelmäßig und deutlich.Darüber hinaus erstrecken sich die Risse in Probe SB5 etwa 90° von der Zugzone zur Druckzone und entwickeln sich bis zu etwa 3/4 der Abschnittshöhe.Die Hauptbetonrisse in Probe SB1 sind kleiner und seltener als in Probe SB5.Der Ersatz von Sand durch Gummi kann die Entstehung von Rissen im Beton bis zu einem gewissen Grad verhindern.
Auf Abb.5 zeigt die Verteilung der Durchbiegung entlang der Länge jeder Probe.Die durchgezogene Linie ist die Durchbiegungskurve des Prüflings und die gestrichelte Linie ist die sinusförmige Halbwelle.Aus Abb.Abbildung 5 zeigt, dass die Stabdurchbiegungskurve gut mit der sinusförmigen Halbwellenkurve bei der Anfangsbelastung übereinstimmt.Mit zunehmender Belastung weicht die Auslenkungskurve geringfügig von der sinusförmigen Halbwellenkurve ab.In der Regel sind die Auslenkungskurven aller Proben an jedem Messpunkt während der Belastung eine symmetrische Halbsinuskurve.
Da die Durchbiegung von RuCFST-Elementen beim reinen Biegen einer sinusförmigen Halbwellenkurve folgt, kann die Biegegleichung wie folgt ausgedrückt werden:
Wenn die maximale Faserdehnung unter Berücksichtigung der tatsächlichen Anwendungsbedingungen 0,01 beträgt, wird das entsprechende Biegemoment als maximale Biegemomentkapazität des Elements bestimmt27.Die so ermittelte gemessene Biegemomentkapazität (Mue) ist in Tabelle 1 dargestellt. Gemäß der gemessenen Biegemomentkapazität (Mue) und der Formel (3) zur Berechnung der Krümmung (φ) kann die M-φ-Kurve in Abbildung 6 sein geplottet.Für M = 0,2Mue28 wird die Anfangssteifigkeit Kie als entsprechende Schubbiegesteifigkeit betrachtet.Bei M = 0,6 Mue wurde die Biegesteifigkeit (Kse) der Arbeitsbühne auf die entsprechende Sekantenbiegesteifigkeit eingestellt.
Aus der Biegemoment-Krümmungskurve ist ersichtlich, dass Biegemoment und Krümmung im elastischen Stadium deutlich linear ansteigen.Die Wachstumsgeschwindigkeit des Biegemoments ist deutlich höher als die der Krümmung.Wenn das Biegemoment M 0,2 Mue beträgt, erreicht die Probe das Stadium der elastischen Grenze.Mit zunehmender Belastung erfährt die Probe eine plastische Verformung und geht in die elastoplastische Phase über.Bei einem Biegemoment M von 0,7-0,8 Mue wird das Stahlrohr abwechselnd in der Zugzone und in der Druckzone verformt.Gleichzeitig beginnt sich die Mf-Kurve der Probe als Wendepunkt zu manifestieren und wächst nichtlinear, was die kombinierte Wirkung des Stahlrohrs und des Gummibetonkerns verstärkt.Wenn M gleich Mue ist, tritt die Probe in die plastische Härtungsphase ein, wobei die Durchbiegung und Krümmung der Probe schnell zunimmt, während das Biegemoment langsam zunimmt.
Auf Abb.7 zeigt Kurven des Biegemoments (M) gegenüber der Dehnung (ε) für jede Probe.Der obere Teil des Mittelteils der Probe steht unter Druck und der untere Teil unter Spannung.Mit „1“ und „2“ gekennzeichnete Dehnungsmessstreifen befinden sich oben auf dem Prüfling, mit „3“ gekennzeichnete Dehnungsmessstreifen in der Mitte des Prüflings und mit „4“ und „5“ gekennzeichnete Dehnungsmessstreifen.” befinden sich unter dem Prüfling.Der untere Teil der Probe ist in Abb. 2 dargestellt. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass im Anfangsstadium der Belastung die Längsverformungen in der Zugzone und in der Druckzone des Elements sehr nahe beieinander liegen und die Verformungen sind annähernd linear.Im mittleren Teil kommt es zu einer leichten Zunahme der Längsverformung, das Ausmaß dieser Zunahme ist jedoch gering. Anschließend riss der Gummibeton in der Zugzone. Denn das Stahlrohr in der Zugzone muss nur der Kraft standhalten, und die Gummibeton und Stahlrohr in der Druckzone tragen die Last gemeinsam, die Verformung in der Zugzone des Elements ist größer als die Verformung in der Zugzone. Mit zunehmender Belastung überschreiten die Verformungen die Streckgrenze des Stahls und das Stahlrohr tritt ein Das elastoplastische Stadium. Die Steigerungsrate der Dehnung der Probe war deutlich höher als das Biegemoment, und die plastische Zone begann sich zum vollen Querschnitt zu entwickeln.
Die M-um-Kurven für jede Probe sind in Abbildung 8 dargestellt.8 folgen alle M-um-Kurven dem gleichen Trend wie die traditionellen CFST-Mitglieder22,27.In jedem Fall zeigen die M-um-Kurven in der Anfangsphase eine elastische Reaktion, gefolgt von einem inelastischen Verhalten mit abnehmender Steifigkeit, bis allmählich das maximal zulässige Biegemoment erreicht wird.Aufgrund unterschiedlicher Testparameter unterscheiden sich die M-um-Kurven jedoch geringfügig.Das Biegemoment für Schub-zu-Feld-Verhältnisse von 3 bis 5 ist in Abb. dargestellt.8a.Die zulässige Biegekapazität von Probe SB2 (Scherfaktor λ = 4) ist 6,57 % niedriger als die von Probe SB1 (λ = 5), und die Fähigkeit zum Biegemoment von Probe SB3 (λ = 3) ist größer als die von Probe SB2 (λ = 4) 3,76 %.Im Allgemeinen ist der Trend der Änderung des zulässigen Moments mit zunehmendem Schub-zu-Spannungs-Verhältnis nicht offensichtlich.Die M-um-Kurve scheint nicht mit dem Verhältnis von Scherung zu Spannweite in Zusammenhang zu stehen.Dies steht im Einklang mit den Beobachtungen von Lu und Kennedy25 für CFST-Träger mit Schub-zu-Spannungs-Verhältnissen im Bereich von 1,03 bis 5,05.Ein möglicher Grund für CFST-Elemente ist, dass bei unterschiedlichen Spannweitenschubverhältnissen der Kraftübertragungsmechanismus zwischen dem Betonkern und den Stahlrohren nahezu gleich ist, was nicht so offensichtlich ist wie bei Stahlbetonelementen25.
Aus Abb.8b zeigt, dass die Tragfähigkeit der Proben SB4 (r = 10 %) und SB1 (r = 20 %) etwas höher oder niedriger als die der herkömmlichen Probe CFST SB5 (r = 0) ist und um 3,15 Prozent zunahm und um abnahm 1,57 Prozent.Allerdings ist die anfängliche Biegesteifigkeit (Kie) der Proben SB4 und SB1 deutlich höher als die der Probe SB5, die bei 19,03 % bzw. 18,11 % liegt.Die Biegesteifigkeit (Kse) der Proben SB4 und SB1 ist in der Betriebsphase um 8,16 % bzw. 7,53 % höher als die der Probe SB5.Sie zeigen, dass die Kautschuksubstitutionsrate nur einen geringen Einfluss auf die Biegefähigkeit hat, jedoch einen großen Einfluss auf die Biegesteifigkeit der RuCFST-Proben hat.Dies kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass die Plastizität von Gummibeton in RuCFST-Proben höher ist als die Plastizität von Naturbeton in herkömmlichen CFST-Proben.Im Allgemeinen beginnen sich Risse und Risse in Naturbeton früher auszubreiten als in gummiertem Beton29.Aufgrund des typischen Versagensmodus des Basisbetons (Abb. 4) sind die Risse der Probe SB5 (Naturbeton) größer und dichter als die der Probe SB1 (Gummibeton).Dies kann dazu beitragen, dass die Stahlrohre für die Stahlbetonprobe SB1 im Vergleich zur Naturbetonprobe SB5 eine höhere Einspannung bieten.Zu ähnlichen Ergebnissen kam auch die Durate16-Studie.
Aus Abb.8c zeigt, dass das RuCFST-Element eine bessere Biegefähigkeit und Duktilität aufweist als das hohle Stahlrohrelement.Die Biegefestigkeit der Probe SB1 aus RuCFST (r=20 %) ist 68,90 % höher als die der Probe SB6 aus leerem Stahlrohr, und die anfängliche Biegesteifigkeit (Kie) und die Biegesteifigkeit im Betriebsstadium (Kse) der Probe SB1 betragen jeweils 40,52 %., was höher ist als bei Probe SB6, war 16,88 % höher.Die kombinierte Wirkung des Stahlrohrs und des gummierten Betonkerns erhöht die Biegefähigkeit und Steifigkeit des Verbundelements.RuCFST-Elemente weisen bei reiner Biegebelastung gute Duktilitätsproben auf.
Die resultierenden Biegemomente wurden mit Biegemomenten verglichen, die in aktuellen Designnormen wie den japanischen Regeln AIJ (2008) 30, den britischen Regeln BS5400 (2005) 31, den europäischen Regeln EC4 (2005) 32 und den chinesischen Regeln GB50936 (2014) 33 angegeben sind. Biegemoment (Muc) zum experimentellen Biegemoment (Mue) ist in Tabelle 4 angegeben und in Abb. dargestellt.9. Die berechneten Werte von AIJ (2008), BS5400 (2005) und GB50936 (2014) liegen jeweils 19 %, 13,2 % und 19,4 % unter den durchschnittlichen experimentellen Werten.Das von EC4 (2005) berechnete Biegemoment liegt 7 % unter dem durchschnittlichen Testwert, der am nächsten kommt.
Die mechanischen Eigenschaften von RuCFST-Elementen unter reiner Biegung werden experimentell untersucht.Basierend auf der Forschung können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden.
Die getesteten Mitglieder von RuCFST zeigten ein ähnliches Verhalten wie herkömmliche CFST-Muster.Mit Ausnahme der leeren Stahlrohrproben weisen die RuCFST- und CFST-Proben aufgrund der Füllung aus Gummibeton und Beton eine gute Duktilität auf.
Das Scher-zu-Spannungs-Verhältnis variierte zwischen 3 und 5 und hatte nur geringe Auswirkungen auf das getestete Moment und die Biegesteifigkeit.Die Gummiaustauschrate hat praktisch keinen Einfluss auf die Biegemomentfestigkeit der Probe, hat jedoch einen gewissen Einfluss auf die Biegesteifigkeit der Probe.Die anfängliche Biegesteifigkeit der Probe SB1 mit einem Gummiersatzverhältnis von 10 % ist 19,03 % höher als die der herkömmlichen Probe CFST SB5.Eurocode EC4 (2005) ermöglicht eine genaue Bewertung der ultimativen Biegekapazität von RuCFST-Elementen.Die Zugabe von Gummi zum Grundbeton verbessert die Sprödigkeit des Betons und verleiht den konfuzianischen Elementen eine gute Zähigkeit.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 05.01.2023