FIBER BETO UND8RSÖKNING AV PUNKTION HOS 2;LL<:;M8NT SAMMANSATTA AV F'IBE~RBETONG. OCH 'rrä'.-

Transkript

1 FIBER BETO G! UND8RSÖKNING AV PUNKTION HOS 2;LL<:;M8NT SAMMANSATTA AV F'IBE~RBETONG OCH 'rrä'.-

2 FÖRORD Denna rapport är resultatet av ett examensarbete utfört under sommaren 1980 vid Institutionen för Byggnadsteknik, avd. för Byggnadsteknik II, LTH. Rapporten behandlar materialet fiberbetong och möjligheterna till att erhålla fungerande konstruktionselement där fiberbetong ingår. Speciellt har vi i detta arbete undersökt förutsättningarna för att kombinera fiberbetong med trä samt att genom hoplimmade fiberbetongskivor erhålla bärande byggkomponenter. Handledare för arbetet har varit civ.ing. Tryggve Degerman. Lund i augusti 1980 Per Elgh Hans-Olof Karlsson

3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING ==================== 1 BAKGRUND 1 2. SYFTE 2 sid. 3. PROVKROPPAR PROVNINGSMETOD OCH ANORDNING MATERIALBROTTBEsKRIVNING BERÄKNINGSGÅNG RESULTAT { - NEDBÖJNING KRAFT SKJUVNING PÅKÄNNING a. KOMMENTAR TILL RESULTAT EXEMPEL 38-41

4 1 1. BAKGRUliD Cementbaserade material hax länge vari t ett av de viktigaste byggnadsmaterialen. De kännetecknas av hög tryck- och låg draghållfasthet,samt låg töjbarhet och därmed sprödhet. För att reducera nackdelarna hos betongen kan man armera med järnstänger för att öka draghållfastheten. Om det rör sig om mindre påkänningar kan armering med stålfiber,som då ska vara riktade och jämnt fördelade,vara ett bra alternativ. Förväntad förbättring är då framförallt ökad seghet och sprickfördelning. Tidigare försök med låd-,i-och T-profiler av hoplimmade tunna (omkr. 1-2cm tjocka)fiberbetongskivor,provade med fri uppläggning och punktlast i mittsnitt har visat att: - Last-nedböjnings-kurvan följe.r den teoretiskt beräknade kurvan, med E=40000 Mpa. upp till spricklastene - Böjdragbrott av tämligen seg brottyp uppstår. Även dragprov av tunna plattor har genomförts av vilket man kan konstatera att: - Dimensioner ej påverkar brott-eller sprickpåkänningen. - Fibermängden bör hållas vid volymsprocent. - Vidhäftning mellan fiber och betong samt fiberns längd är av stor betydelse. Allmänt bör påpekas att osäkerhet föreligger vid val av påkännings fördelning. En tvolig sådan i brottstadiet bör se ut någonting mellan de båda figurerna visade i FIG 1. D FIG 1. Alternativa påkänningsfördelningar för ett T-snitt. Användningsområde för fiberbetong kan tä~~as vara bjälklag med mindre spännvidder eller väggkonstruktioner av icke bärande karaktär. Fiberbetong skiljer sig något från vanlig betong. Kornstorleken är är avsevärt mindre hos fiberbetongen. Anledningen är att man strävar efter så tunna skivor som möjligt som genom hopfogning bildar önskad profil.

5 2. SYFTE - Att undersöka hållfastheten hos T-profil med liv av trä och :fläns av fiberbetong. - Att undersöka hållfastheten hos låd-resp.i-profil av hopfogade fiberbetongsid vor. - Att jämföra uppnådda resultat med tidigare erhållna. 3. PROVKROPPAR ) FIG 2. ~ ~ A -r' t -~ C l D! ~-r t---- l ' -- -!. l l ' P1, P~.) o o! o i (' o l l l l l??>, Pli.J O O l O 9 O ~ 5, PG :J o o 1 a 1 1 si LJ s l

6 -+= ,_ --- -: _, L::\ "10 FIG 3. )

7 4. 4. PROVNINGS METOD OCH ANORDNING Balkarna provades fritt upplagda med spännvidden L=185 cm. Balkarna med T-profil utsattes för en punktlast i mittsnitt medan låd-och I profilerna utsattes för två punktlaster i tredjedelspunkterna. Kraften fördelades j~nt, stålplatta. vinkelrätt längdriktningen med hjälp av en.styv För att få reda på töjningsfördelningen applicerades trådtöjningsgivare i mittsnitt på lämpliga avstånd. När det gäller T-profilen är en rät töjningsfördelning enl FIG 4. trolig. Således för att få någon säkerhet i den plottade töjningslinjen sättes trådtöjningsgivare enl.fig 5. vilka ger punkterna 1,2,3 markerade i FIG 4. För låd-och I-profilerna kan töjningsfigur enl FIG 4 vara trolig, således placeras trådtöjningsgivare som visas i FIG 6. T-profil låd-och I-profil FIG 4. Töjningsfördelning för de olika tvärsnitten. TRÄ-BTG. 15 c:::::p l l l VY l PLAN. FIG 5. Placering av trådtöjningsgivare. T-profil.

8 BTG.-BTG. 5. VY. l TI- BAL-K L PLAN. l ~- " 0\JER. " RAKI U N DER, l= LAN S I-~ALK -l FIG 6. Placering av trådtöjningsgivare. Låd-och I-profil. För att mäta nedböjningen sattes över resp. under balken 2 st patentiometrar i mittsnitt. Last påfördes med hjälp av en manuellt styrd hydraulisk domkraft. Mellan domkraft ooh balken sattes en lastcell som utförde själva kraftmätningen, se FIG 7 a-b. Trådtöjningsgivare, patentiometrar och lastcell kopplades till en datalogg som i sin tur styrdes av en dator. Mätprogrammet som användes mätte i laststeg om 0.5 kn. Av utskriften kan man direkt avläsa kraft, nedböjning samt påkänningar vid motsvarande trådtöjningsgivare. Balkarna påfördes last, utan avlastning upp till brott.

9 + \'2,50 ~;,, H'/Df\AULISK /,: / DOM\<RAfT 1/. ~ -"'- '-~~ F >:--.w..p<öyo <;. l r-+.;;t-;,=::-/ l ~---r- - PJn::Nno M!O TER 1850 v '1 f 1'1 l b j

10 5. BROTTSBESKRIVNING,!-PROFIL..(P.1.-P6_)_ -Första sprickan i träet omkring 6-10 kn, ofta vid kvist. -Knäppningar i balk från 2 kn upp till brott. -Välvning av fläns på fyra av balkarna vid ung. 15 kn. Flänsarna bibehölls intakta utom en som sprack. Se FIG. (Ba-b). -Upplagen förblev hela så när nom. på den balk som tog mest last som trycktes in något. Se FIG.(Bc). Brottet har att explosionsartat d.v.s. snabbt och ljudligt förlopp. Efter brott har en stor sp~icka uppstått och balken kan ej uppta mer last. FIG.(Bd). FIG.8o..,,!="IG Sc r \t l (:t~ Bd.

11 8, -Första spricka i lådbalk vid ung. 4-5 k}t mellan lastangreppspunkt och mittsnitt. -Första spricka i I-balk vid 1 kn. -Sprickor uppstår sedan hela tiden fram till brott. Sprickorna är jämnt fördelade mellan last angreppspunkterna. FIG. (9) -Brottet är av seg karaktär. l FIG. (9)!Ph... l u: l( :i\11\'>lli! 111HI ~ S~J.\CI<Oe. ~ l! 1'/z... Fundamentalt för användning av fiberarmering är att fibrernas förankring och vidhäftning måste vara tillräckligt stark Dålig förankring/ vidhäftning leder till ogynnsam sprickfördelning och låg hållfasthet. Man kan konstatera att vidhäftning och för ankring följer varandra bra och att det gäller att finna en optimal förankringslängd såväl som en optimal vidhäftning med bibehållen god fördelningsgrad, d.v.s. fibrerna får inte vara så utformade att de tovar sig vid bearbetning av. betongmas san.

12 6. BERÄKNINGSGÅNG För att lätt kunna hitta i tabellerna (bilaga) samt att förstå hur diagrammen tillkommit har vi valt att visa beräkningsgång och uppställning av tabeller dels för balkar- med träliv och betongfläns dels för balkar enbart av betong. j;----ä---:jl "300 Siffror och mått från prov " t P 6-:.?>S" ~ t -::.'90 " L= \ 8"S \:::1,. lsjl K ~?~ l lo Nedböjning för respektive laststeg fås ur datablad. y fås som medelvärde från kanalerna 56 och 58 se tab P2.1. I mätprogrammet arbetar datorn med en fiktiv E-modul. Vill man veta påkänningsfördelningen måste man multiplicera med verklig E-modul. Ett rimligt värde på betongen är E= ~a. Ett antaget värde på träet är E=10000 se FIG 11 C\ O \0 t ) E~'k:"'t'v FIG 11. = 10 oaa "lx>.. För att inte få för många mätvärden har var tredje observation använts. Siffrorna visar kanalnummer för trådtöjningsgivarna så som man kan utläsa av datautskriften. När väl medelvärdena är framräknade fäs Cf~ 2. G; genom den plottade linjen. S e t ab.p2. 2 Med antagandet om att tryckresultanten (se fig 11) Tb ligger i betongplattans mitt blir, (!\+(f.,_ D ~T =l~~ t= D (1) t t ~ res e~ ~ t. (~) där cr sättes in med tecken.

13 10. Inre moment M.= D (e+0.005) J. res Yttre moment M = PL/4 y S ä t t 't'= M y IM. = E t.. kl. le t.. t J. ra,ver J.g ra,an agen Ger då verklig CJ4' = lv O'"tt._._.,_+-Q\.k \.J/~ l l ' bres 'PI-z. t Ger verklig Q = D..,/L/2 res marleerad med heldragen linje i diagram markerad med heldragen linje i diagram (3) (4) (5) (6) ( 7) Då väl och är framtagna ger (1)-(7) tabell P2.3 För fullt medverkande tvärsnitt beräknas ett ideellt tvärsnitt me d E. = '1' J = 1.05 d~ ~10000 ' Ebtg= MPa Et.. =q.l M:Pa ra TF-linjen för det ideella tvärsnittet Tröghetsmoment för det ideella tvärsnitte~ Ii= Då fås & b~ 3 ( ) d-e lb t e 2 -t/2 3 y=pl /48E.I. J. J. o.5bt d+0.01dt e2= o.01d+bt m.a.p TF-linjen markerad med streckad linje i diagram markerad med streckad linje i diagram U= M e 2 /I.= PLe 2 /4I. 11 y J. J. markerad med streckad linje i diagram

14 TABELL P2 1 Kraft~ Nedböjning f -2~ ~~ l o Oo o o o o o o , ~ ' f.::....

15 l t L-- TABELL P2 2 Kraft- påkänning p 17=25 19; ,22 ~ a; --ö7sr--o75r---o71s o:o o o o o o o !~~f:!!_P2J..} \\"3 (j D res e M. p 4 l My ~ er' Q o.18 o o75 -Oo o o o o G)2.26 lo '2~

16 ~ U> TM!Eg_~3..L_1_ 'f' d YTP e1 p Ii Ei y S Q er o '3o (i) i0: o o

17 ! BTG.-BALK. 250 MM ~ lo ~~ -, ~ 'l ~ l' ---' J ~- L -----,.-- -~ ~.., " 4o \() 150 to tto 150 lo NEDBÖJNINGEN y 88S SOM y I TABELL P8,1, DÄR y ÄR MEDELVÄRDET AV KANAL 56 OCH 58 I DATORPROGRAMMET. T <r, ANTAG <fl MED HJÄLP AV TABELL P8, 2. n =C tr1~ u2) o.o1o o.250 M =P/2 L/3 y =m 'J' =M /M. y J. GE~ VERKLIGT tr;= \f' ~ 2

18 15 TABELL P ~---- Kraft-Nedböjning f 22 s8 z ~ o

19 l b TABELL P %...::.-- Kraft- påkänning ' 'P n7-;-rs- 19-;-25 2o-; ;-2: o o o. ss , , xxxx antaget CJ2 o : 1 ~ TABELL P p \'t2 ~ D1 D2 M. l o.1 3 o o o o o ~ n o 3 : o o. 8 6 My r 0:' 'l.j y

20 ' -~- -~--~ :----~-----~--~-----t ~-~ [ ' i l ~~ --~---~----~~~ -- T f l t / -~

21 .- 1~. a 7' i Il) v Cl 'E (f) -..j w (}l "' S' (}l :t: )> " x a 3 3. l '. l - J t +r---~'-+- 0,~ F- c~:- ;~ ~~ :! tj_; tcl --;_::~ :;,-=~-J~~~~ r ~ j. -_\;:--t ~-:r::.. f -r , l l l ;.,;.! ; - : 1\!... l -. l -~!. t-! l... :.:: ~;_::. :: ; ~ ~,----r "<"- T -T::--r--- ; i "i;:. -~--L- ~--f ,- - =te:======= ==- ==-, ==.. ' l, l ).... :- i -=- - ',: : =i -l -t i ::,. ; ~~~t-. ---' ==:r.=-:=:j::::. -~-= -:-:::. ~-~r=--.+ i L : l :- ~ : : ~-:)\:>r ~j~= :' :!==: : _.[_:_;='f:::= =:=r:~:: ~~:~:g;==;~-~:;: ~ ~. -i r: ~Tl.. : '-]... ~Q_ :_ =t. : ~tr~-- ~ ]_L;_;~ ~~ - ~~~.. l ~:_[_ :'\.: ~ :: =i ~ ~~-1::::-.j:::::: f--+--'-+'=+.:;..::.; -----, j X r :::c; X::: ~=-::..::_.. : :::: ::::::\_ : ::: : :: ::-.r:.:: :. --: ::::: ::::-----::=... f x H ----J---..;.:c.c=+:'-',_=O,_i O '----1==-=-+==~. l: , - -c'-,...,-..., ;-. '... ~ ~:::.~.. i t-::: ;_;,[-:: :: ;------~ :>:. : ~: '::::i= kf ) '. l

22

23 7'!l C ~ :n 1.1) 1'1 :.l - J ;_!="-' 1-

24 T. i -~:+ ~- ~ F!._ -r - ~ ~ l_.. ~~--- : -. ~ - ~ 1 l T ~_:[" l ' l. l ' ---r--. j' -,---, _L.-~i.L.. :_c[r-=--rf r: ~+~t-'ufi ~ l : l j i ' l : t! ;-~~----r~~--~--~-r-t-----:-----~------j-----t----~ ~ i -1 l l. ~ r~tj~ ~ ~. -J_., L~ ~~-~-L i ~- --~--- --:-~ ~ r-.: J.. -~---l t l.. -~~i --f-- l-, ;~ : i l l

25 ~ ~--L L ~-----'-- t ,._._ ' -- ' - - -:-~~-----t i ----~ ~- ----: -'j: -i o j

26 ., r AJ,, J n " 1

27

28

29 '( 't n '/),n

30 l\0 loo '\O e c?o b <:!J 'S<:l 7 4o " ) C; '5C., 0 "Z..,) \~

31 -.l Il IZ 1'; '(U 00 5<:) c -r () l-jo >J n ;-~ '- 'i) ;n ~o 1J() ll:l

32 '1" <( t n 29.

33 '30. tjl, \ t- l J, O 50 -r ( 'i 'il U) ~ n,,," l '",) J() _'!

34 { 2..<2.\ -r n ~ [' /) \01 }j

35 '32..

36 --,,

37 l) n 3Lt.

38

39 6. KOM6NTAR TILL RESULTAT!iesb2.jr!i~g '!:rä=b!g. Anledningen till att linjen för fullt samverkande tvärsnitt ( ) inte stämmer överens med våra provade resultat (--~------) är att samverkan inte är fullständig. Framför allt hjälper yttre delen av flänsarna till dåligt (se brottsbeskrivning ). Den streckade linjen i diagrammet över provkropp P5:s nedböjning har dessutom beräknats med ett~ som är framräknat med ett mindre antal trådtöjningsgivare än de 0~riga balkarna. Detta p.g.a att trådtöjningsgivarna i underkant gått sönder. Osäkerheten vid bestämroningen av kantpåkänningen är därför större vid detta försök.!?_tg=b!g _ Den s-formade nedböjningskurvan kan förklaras av bl. a. skevhet vid uppläggningen som ger en vekare konstruktion innan skevheten stabiliserats. Ett annat skäl kan vara olika krympning hos de olika skivorna efter sammanfogningen..kj_uy_k~a.ft~r.!. Om skjuvkrafterna kan sägas att de följer de teoretiska beräkningarna väl i samtliga fall utom provkropp 5. skillnaden i P~K. 5 beror på Ysom tidigare nämnts. Anmärkningsvärt är att inte i något fall har brott i limfog erhållits. ~å!ä~n~n.s:s!!!a~ '!:_rä=b!g._ De höga <l-värdena för balkarna 1, 2 och 4 kan förklaras med den höga kvaliteten på virket (få kvistar). Balkarna 3, 5 och 6 har stort antal kvistar i närheten av mittsnitt. T.ex. har balk 3 fyra stora kvistar alldeles bredvid varandra just vid sprickan i mittsnitt

40 Anmärkningsvärt är likheten i lutningen hos~ -kurvan där endast I-balken (P10) skiljer sig något lite. 37.

41 9 E.)\E.MPEL.. Avslutningsvis vill vi visa ett par exempel på användningsområden. ö8. konstruktionen avser icke bärande innervägg ~l o/c " M : N b~ box t 1v M : 2,5M 'kraften anses upp tas av enbart iiv och tryckt fläns Dimensioner träliv 35x70 mm tjocklek fiberbtg.platta 10 mm. Av intresse idetta fall är att utböjningen ej blir för stor. e/c 300 medverkande bredd d=30x1 0'=300 mm c;= MPa I= y=e!:_=1qqq:g~2: = EI

42 Got...v K.ol'ols-rR.uKTloN l,,,, \ l c~ ~ y 1 l b!r M. -;tt-ta>\;:: 1-Jt..too == 4J'1oo-: er = l1 ~G\ x. ~@u = -~z. L~ \.\, r, a ri do.-r ~~~ f.5 kn/w-.2. <;}~.:q, -4- ~e l<.nfvv\t fl>-t.~::::. 3Z ooo 11 PO\ E.v ö HPo. (Lö.V\~iids [-Mod~.tl) ~"'~~ ho: c.l'l/5 ""..!..:le "300m~ ch ~~; _ 0 _ 3,.!.l~ IYI i'p-l'vljq. ', ~;" (l t 2c 0 IZ.S OOYS) l.r~-c>.ol.s O.l~154-0,I2S O.Ol.fS 0,11-S/1..~ e" ') 0.0 _,.; e".: O.l z..s, \ -2.. ob2~l~ ~ O Ot.tS O 1~5 ~( '"'S~ T\""o~ne...\)Vf\0~. 1 : '"1 -ru~~o.o~s.o.oi2.s+ l?... ~o.ois O,I'h't>o.o~::>-r J 2 1~ 3,5 \Sl 1ö 5 U::S I.S-ö.~ Lflf ~s.,ö\~ ~0.0\ 'W' OK1 Q"'\, '38'-f ~'tö. I,.01. ~ "".. ~... (I.~ O.'~t2.'f0.} 0.0'2.5 2-T6A0.04S-O.I'2.5)~. ~1.00~ (O \b"o-o l'2.s\:::4sirtpg\<.l\ o <a I as o(), J ~u jl.s-d.~'l.n O.~ -O~:S t:,~ O.Ott~ O,t 1.5)'1"_ O l 'LS = 6 00 'H?c~ < 8 0\( (

43 ÅNTA.G, h,.0..!2._5'm e/c boo ~""' d:~~~ 0. Q :: 2.:2~ JrO z. 'Z. b -0. 0'2.5 ~r, o 175 ~o.o~s) + o }'15".. o OL1~ o l1~i _ 2..., l l l.j/~ - -- e~ ( 2../.Jo, O, O , \ "7~ O, Olf';)) I :: t~::: O, 115?.. 'l b. o. 025 ~ (' )~ o :3 1 ~_. 1 ~.?..b-o.o1s o,/ ,1'75 O, otts-( O, 175- O, l"fs/:1.. t -5 I= ~ 1 '2., S t A ta. l +- \}..::: l. S- O. G+ }. 'f -o lo, 0,01.5- 'L -t- f> O.OI.f '5 -Q t1g" )'-t: 0 8 I...:;> ~~ (o,'l..-0,115) Cfö;:),t.t.. MP(A.Z Il MPCA. 0 J(~ \S, (l. s -o.b +-L '-f -o. b -oo~s- '2...t6 a.o Lf5 --D,115),lf 1.. V\ ~r 0,115 ~l, b.~,:, tt?o. < 8 ti'po. OK '

44 SLUTSATS ' Av exemplen ovan framgår att det borde vara möjligt att använda en kombination av trä och fiberbtg. som dels bärande byggelement i bostadshus dels som rumsskiljande väggar.