PRACE INSTYTUTU TECHNIKI BUDOWLANEJ - KWARTALNIK nr 4 (132) 2004

B U I L D I N G R E S E A R C H INST ITUTE - Q U A R T E R L Y N o 4 ( 132 ) 2 0 0 4

Andrzej Szwaranowicz*

BADANIA NA ROZCIĄGANIE SPLOTÓW SPRĘŻAJĄCYCH W LABORATORIUM BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ITB

W artykule przedstawiono metodę przeprowadzenia badań wytrzymałościowych na rozciąganie splotów do konstrukcji sprężonych zgodnie z normami europejskimi. Opisa-no sposób dostosowani a maszyny wytrzymałościowej do przeprowadzenia badań oraz metodę określenia

1. Wstęp

Zgodnie z projektem prEN10138 „Stal sprężająca" konieczne jest określenie para-metrów wytrzymałościowych splotów sprężających w próbie rozciągania osiowego jako parametrów podstawowych charakteryzujących splot oraz jako wielkości odniesienia do pozostałych badań splotów, takich jak rozciąganie w złożonym stanie naprężenia przy zagiętych splotach, relaksacja oraz odporność na korozję naprężeniową w roztworze rodanku amonu NH4SCN, prowadzonych w ITB.

Laboratorium ITB ma wieloletnie doświadczenie w badaniach splotów. Prace prowa-dzone na początku lat sześćdziesiątych pozwoliły na określenie otwartej struktury polskich splotów, skoku ich oplotu, średnic drutu rdzenia i wprowadzenie do norm, produkcji oraz stosowania we wszystkich polskich wytwórniach wyrobów strunobetonowych. Tym nie-mniej w celu stałego systematycznego badania należało udoskonalić zarówno sposób uchwytu splotów w maszynach wytrzymałościowych, jak i automatyzację pomiarów oraz zapisu ich wyników. W ITB podjęto więc ponownie zadanie pomyślnego rozwiązania tych problemów z wykorzystaniem dotychczas posiadanych maszyn wytrzymałościowych i przy-rządów pomiarowych.

Do realizacji tego zadania zostało przewidziane opracowanie: • efektywnej metody zakotwień splotów, • zautomatyzowanego system pomiaru sił i odkształceń splotów,

• programu komputerowego do opracowania wyników badań.

* mgr inż. - kierownik Laboratorium Badań Wytrzymałościowych w Zakładzie Konstrukcj i i Badań Wytrzymałościowych ITB

45

2. Metoda pomiaru

Z badaniami na rozciąganie splotów do konstrukcji sprężonych są związane przede wszystkim następujące dokumenty:

• PN-EN 10002-1 Metale. Próba rozciągania, . prEN 10138 Prestressing s tee l s - Part 3: Strand (Stal sprężająca. Część 3: Sploty), • PN-EN ISO 15630-3 Stal do zbrojenia i sprężania betonu. Metody badań. Część 3:

Stale sprężające, • Wytyczne do Europejskich Aprobat Technicznych ETAG nr 013 Zestawy zakotwień

i cięgien do sprężania konstrukcji. Aneks E.3: Badanie pojedynczego elementu rozcią-ganego.

Za podstawowy dokument należy uznać prenormę EN 10138 „Stal sprężająca" (która na skutek różnic poglądów producentów do dziś nie została zatwierdzona). Podaje ona właściwości stali sprężających i w ten sposób narzuca konieczność przeprowadzania odpowiednich badań, między innymi badań na rozciąganie stali sprężającej z określeniem (w nawiasach podano wynikające z nich wielkości według PN-B 032264:02):

• wy t rzymałośc i -o granicy plastyczności -» odkształcenia przy maksymalnej sile -• modułu sprężystości podłużnej -

jako podstawowych parametrów charakteryzujących wyrób. Warunki badania zostały opisane w Aneksie A (Metody badań) do prEN 10138-1.

W punkcie A.2 podano, że badanie na rozciąganie powinno być przeprowadzone zgodnie z PN-EN 10002-1 „Metale. Próba rozciągania", jak również istnieje delegacja do prEN ISO 15630-3 „Stal dla zbrojenia i sprężania betonu - Metody badań. Część 3: Stal sprężająca", która zawiera następujące dodatkowe wymagania:

• Próbka powinna być zamocowana w odpowiednich uchwytach maszyny wytrzy-małościowej, nie powodujących uszkodzenia powierzchni próbki. Jeśli zerwanie próbki nastąpi w odległości mniejszej niż 3 mm od uchwytu, badanie należy uznać za nieważne, chyba że wynik spełnia wymagania normy.

• Odkształcenia powinny być mierzone za pomocą odpowiedniego tensometru o ba-zie pomiarowej większej niż 100 mm.

Ponieważ ze względu na trwałość tensometru nie jest możliwe pozostawienie go na próbce do momentu jej zniszczenia, należy obciążać próbkę z założonym tensometrem i rejestrować odkształcenia aż do momentu przekroczenia siły przy umownej granicy plastyczności, po czym trzeba tensometr zdjąć. Jednocześnie należy stale rejestrować wzajemne przemieszczenia uchwytów mocujących próbkę. Obciążenie będzie konty-nuowane aż do zniszczenia próbki, z pomiarem wzajemnych przemieszczeń uchwytów. Różnica pomiarów przemieszczeń uchwytów zostanie obliczona jako procentowa war-tość rozstawu uchwytów i wartość ta będzie dodana do wyrażonych procentowo od-kształceń próbki w momencie zdjęcia tensometru.

W zaleceniach ETAG nr 013 Aneks E.3: Badanie pojedynczego elementu rozciąga-nego, zostały podane kolejne dane:

• klasa maszyny wytrzymałościowej (kl. 1) i tensometru (kl.2),

46

• dokładność pomiaru przesunięć uchwytów maszyny (1 mm}, • minimalna długość swobodna próbki (1 m), • wstępne przeciążenie próbki do po czym rozpoczynanie pomiarów z po-

ziomu 5% • szybkość obciążania - do 15 MPa/sek.

Badania te wymagają zaprojektowania i budowy odpowiednich urządzeń oraz wprowadzenia do praktyki laboratorium właściwych procedur badawczych.

3. Opracowanie zamocowań splotów w maszynie wytrzymałościowej

Badanie splotów na rozciąganie było w Laboratorium Badań Wytrzymałościowych zawsze zagadnieniem, który starano się rozwiązać na różne sposoby, lecz na ogół z nie-naj lepszym skutkiem. Problem polegał głównie na odpowiednim zamocowaniu próbki w maszynie wytrzymałościowej, tak aby:

• próbka nie wyślizgiwała się z uchwytów, • przez odpowiedni docisk można było spowodować obciążenie wszystkich drutów,

również środkowego drutu splotu,

• nie został uszkodzony splot w uchwytach i zerwanie próbki następowało poza uchwytami, a każdy drut zrywał się z tzw. szyjką.

Proste zamocowanie splotu w szczękach maszyny wytrzymałościowej powodowało poślizgi i zerwanie próbki w szczękach. Zastosowanie przekładek z różnych materiałów zabezpieczało przed uszkodzeniami powierzchni splotów, lecz nie chroniło przed wy-ślizgiwaniem się próbki z klinowych uchwytów maszyny wytrzymałościowej. W labora-toriach wytwórni splotów, gdzie badania nad tym problemem są prowadzone na skalę masową, rozwiązaniem stały się specjalistyczne maszyny wytrzymałościowe o bardzo długich uchwytach (około 200 250 mm}, zaciskanych hydraulicznie lub klinowo, o bardzo małym kącie pochylenia klinów. Dzięki temu przy znacznej sile zaciskającej uzyskano małe naciski powierzchniowe. W pewnych wypadkach jako wykładzinę szczęk stosowa-no wkładki aluminiowe.

Takie rozwiązania nie są możliwe w przypadku maszyn wytrzymałościowych stano-wiących wyposażenie Zakładu NW. Konstrukcje uchwytów o długości 80 mm nie pozwalają na ich rozbudowę i uzyskania opisanego efektu.

Rozwiązanie znaleziono, stosując nakładki aluminiowe i dodatkowy element mocują-cy. Elementy te zakładano na końcach próbki, po czym ją obciążano. Na skutek początkowego poślizgu próbki w szczękach następowało dociśnięcie dodatkowego elementu mocującego do powierzchni zewnętrznej szczęk i dzięki temu uzyskiwano współpracę w przeniesieniu siły.

Rozwiązanie to sprawdzono, stosując wiele prób z użyciem splotów o średnicach od 9,3 mm do 15,7 mm - z pozytywnym skutkiem (rys. 1). Jeśli zerwanie nie zawsze następowało w połowie długości próbki, to zawsze poza szczękami i z charakterystyczną szyjką, spełniając wymagania norm.

47

48

4. Automatyzacja pomiarów Zgodnie z prEN 10138 przy badaniu splotów oprócz wytrzymałości należy określić

również ich właściwości odkształceniowe, takie jak granica plastyczności moduł sprężystości odkształcenie przy sile maksymalnej Dane te uzyskuje się poprzez jednoczesny pomiar odkształceń i sił, jak również przemieszczeń uchwytów próbki w przy-padku, gdy istnieje konieczność zaprzestania pomiaru odkształceń (zdjęcia tensometru), zanim próbka osiągnie siłę maksymalną.

Jednoczesny pomiar tych wielkości wymaga automatyzacji pomiarów. Do tego celu posłużono się stanowiącym wyposażenie laboratorium systemem pomiarowym Solar-tron, umożliwiającym wielopunktowe pomiary za pomocą czujników indukcyjnych. Ist-niejąca sieć kablowa pozwala na łatwe połączenie elementów pomiarowych z centralą Solartrona.

4.1. Pomiar sił

Do pomiaru sit wykorzystano liniowe przemieszczenia popychacza wskazówki siło-mierza maszyny wytrzymałościowej. Pomiar tego przesunięcia za pomocą czujnika indukcyjnego typu CD 4425/1 o zakresie 50 mm i dokładności 0,3% skorelowano z war-tością siły. W celu dokonania pomiaru wykonano odpowiednie oprzyrządowanie, umo-żliwiające zamocowanie czujnika i związanie części ruchomej czujnika z popychaczem bez wprowadzania dodatkowych sił. System pomiarowy został pokazany na rysunku 2.

Rys. 2. Zautomatyzowany pomiar sił w maszynie Amsler Fig. 2. Automatic force measurements in the Amsler testing machinę

4.2. Pomiar odkształceń

Ze względu na strukturę splotu tensometr do pomiaru odkształceń powinien mie dość dużą bazę pomiarową. Standardową bazą przy tego typu pomiarach jest baza o długości 500 mm. Ponadto pomiar musi być zautomatyzowany i powinien przebiegać w tych samych momentach, co pomiar siły i przemieszczeń uchwytów.

Tensometr taki, typu rurkowego, został wykonany we własnym zakresie, przy czym jako element pomiarowy posłużył czujnik indukcyjny typu DCR/25 o zakresie 25 mm i do-kładności odczytu 0,3%. Tensometr został zaopatrzony w specjalne uchwyty, umożliwiające jego łatwe zdejmowanie w trakcie obciążania próbki.

49

50

4.3. Pomiar przemieszczeń uchwy tów

Pomiar przemieszczeń uchwytów maszyny wytrzymałościowej przeprowadzono za pomocą czujnika indukcyjnego typu CD 4521/6 o zakresie 150 mm i dokładności odczytu 0,3%. W celu umożliwienia pomiaru należało wykonać odpowiednie elementy mocujące czujnik do obu trawersów maszyny, w których są konstrukcyjnie usytuowane uchwyty. Sposób pomiaru przemieszczeń przedstawiono na rysunku 3.

4.4. Op rog r amowan i e sys temu pom ia rowego Soiartron

Przeprowadzenie pomiarów wymagało opracowania specjalistycznego programu pomiarowego w języku Basac - języku programowym komputera PDP-11 będącego jednostką obl iczeniową systemu pomiarowego Solartron. Program zakładał pomiar za

pomocą trzech czujników indukcyjnych o różnych charakterystykach. W celu zachowa-nia jednoczesności pomiarów założono, że cykle pomiarowe będą inicjowane za pomocą zegara wewnętrznego w ustawianych wstępnie odstępach czasu: od 0,5 sek. do 5 sek. Po komendzie „start" zostają wykonywane pomiary, aż do komendy „stop".

Wyniki pomiarów opracowywano za pomocą komputerów PC i programu Excel. Wiązało się to z koniecznością opracowania metody połączenia obu komputerów elektrycznie i programowo w celu automatycznego transponowania kilkuset danych pomiarowych.

5. Opracowanie wyników badań

Do opracowania wyników badań wykorzystano program Excel. Przeniesione wyniki zostały zapisane w postaci trzech kolumn, obejmujących:

• siiy, wyrażone w kN, • przemieszczenia uchwytów maszyny wytrzymałościowej, mm,

• odkształcenia próbki, wyrażone w promilach. Są to surowe dane, wymagające dalszego opracowania. Należy zwrócić uwagę, że

wyniki pomiarów odkształceń nie obejmują całego zakresu obciążeń, co zostało spowo-dowane koniecznością zdjęcia tensometru przed końcem badań. Na podstawie tych danych obliczono wartości naprężeń (przy uwzględnieniu rzeczywistego przekroju po-przecznego splotu} i wartości odkształceń splotu w zakresie sprężystym, to jest w za-kresie od 0,2 do 0,7 wyrażone w promilach, powiększone o 0,1%, które były podstawą uzyskania poszukiwanych wielkości.

5.1. Określenie umownej granicy plastyczności i modułu sprężystości

Na podstawie obliczonych wartości naprężeń i odkształceń sporządzono w programie Excel wykres (rys. 4). Dla wartości odkształceń splotu w zakresie sprężystym, to jest w zakresie od 0,2 do 0,7 wyrażonych w promilach, powiększonych o 0,1%, sporządzono tzw. linię trendu w postaci zależności liniowej o równaniu

bardzo dobrze skorelowanej z otrzymanymi wynikami . Miejsce przecięcia linii trendu z krzywą zależności naprężenie - odkształcenie wskazuje wartość napręże-nia, przy której odkształcenia poza sprężyste próbki osiągają wartość 0,1 %, czyli została osiągnięta umowna granica plastyczności. W naszym przypadku

Do określenia modułu sprężystości posłużono się równaniem linii trendu, w którym odwrotność współczynnika przy zmiennej jest wartością modułu sprężystości. W naszym przypadku

51

Rys. 4. Zależność naprężenie - odkształcenie splotu w próbie rozciągania Fig. 4. The stress-strain curve obtained during tensile test

5.2. Określenie odkształcenia splotu przy maksymalnej sile

Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi odkształceń splotu i wzajemnych przemiesz-czeń trawersu maszyny wytrzymałościowej i uchwytów próbki. Daje się zauważyć, że w koń-cowym obszarze mierzonych odkształceń oba mają podobny charakter. W tej sytuacji uznano, że jest uprawnione, aby na podstawie przemieszczeń uchwytów próbki określać wartość tak jak to postuluje PN-EN ISO 15630-3.

Końcowe wyniki pomiarów odkształceń i odpowiadających im przemieszczeń uchwy-tów próbki ujęto w wykresie (rys 6).

Korzystając z dostępnych funkcji programu Excel, dobrano najlepiej dopasowaną funkcję, w naszym przypadku jest to wielomian 3 stopnia:

o bardzo wysokim współczynniku korelacji = 0,9995 Znając wartość przemieszczenia trawersu przy największej sile uzyskanej w trakcie

badania, z wyżej podanej zależności obliczamy - wartość. Przy sile maksymalnej 180 kN przemieszczenie trawersu wynosiło 66,07 mm, z obliczenia odkształcenie przy maksymalnej sile było równe

52

Rys. 5. Wykres zależności odkształceń splotu i przemieszczeń uchwytów próbki od przyłożonej siły w próbie rozciągania Fig. 5. The curves of strand strains and grips displacements during tensile test

Rys. 6. Korelacja zależności odkształcenia splotu - przemieszczenia uchwytów próbki w próbie rozciągania Fig. 6. Strains of strand and displacements of grips correlation in tensile test

53

9 . U w a g i k o ń c o w e

W celu sprawdzenia poprawności przyjętych rozwiązań przeprowadzono badania testujące. Polegały one na wykonaniu szeregu prób na rozciąganie splotów do sprężania konstrukcji w maszynie wytrzymałościowej Amsler 100 t. Badania te potwierdziły, że udało się rozwiązać szereg problemów technicznych pozwalających na prowadzenie badań splotów w przypadku konstrukcji sprężonych w pełnym zakresie:

• opracowano efektywny sposób mocowania splotów w uchwytach maszyny wytrzy-małościowej w sposób nie powodujący uszkodzeń powierzchniowych,

® opracowano i zrealizowano koncepcję jednoczesnych pomiarów siły, przemiesz-czeń i odkształceń splotów na potrzeby określenia właściwości mechanicznych splotów,

• opracowano oprogramowanie systemu pomiarowego Solartron na potrzeby ww. pomiarów,

• opracowano procedury obliczeniowe

Na podstawie prEN 10138 i PN-EN-ISO 15630-3, z uwzględnieniem specyfiki pomia-rowej Laboratorium Badań Wytrzymałościowych, opracowano procedurę badawczą spełniającą wymagania laboratorium akredytowanego przez Polskie Centrum Akredytacji.

EXPERIMENTAL TENSILE TEST OF STRANDS FOR PRESTRESSING OF CONCRETE IN STRENGTH TESTING LABORATORY OF BRI

Summary

This paper deals with the tensile test methods of strands for prestressing of concrete according to the european standards. Adaptation of testing machine and other equipment is described as well as the method of determination of

Praca wpłynęła do Redakcji 22 VI 2004

54