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Quatro elementos de tubo de aço e concreto de borracha (RuCFST), um elemento de tubo de aço de concreto (CFST) e um elemento vazio foram testados sob condições de flexão pura.Os principais parâmetros são a taxa de cisalhamento (λ) de 3 a 5 e a taxa de substituição de borracha (r) de 10% a 20%.São obtidas uma curva momento-deformação fletora, uma curva momento-deflexão fletor e uma curva momento-curvatura fletor.Foi analisado o modo de destruição do concreto com núcleo de borracha.Os resultados mostram que o tipo de falha dos membros do RuCFST é a falha por flexão.As fissuras no concreto de borracha são distribuídas de maneira uniforme e moderada, e o preenchimento do núcleo do concreto com borracha evita o desenvolvimento de fissuras.A relação cisalhamento-vão teve pouco efeito no comportamento dos corpos de prova.A taxa de substituição da borracha tem pouco efeito na capacidade de suportar um momento fletor, mas tem um certo efeito na rigidez à flexão da amostra.Após o enchimento com concreto de borracha, em comparação com amostras de um tubo de aço vazio, a capacidade de flexão e a rigidez à flexão são melhoradas.
Devido ao seu bom desempenho sísmico e alta capacidade de carga, as estruturas tubulares de concreto armado tradicionais (CFST) são amplamente utilizadas na prática da engenharia moderna1,2,3.Como um novo tipo de concreto de borracha, partículas de borracha são utilizadas para substituir parcialmente os agregados naturais.As estruturas de tubos de aço preenchidos com concreto de borracha (RuCFST) são formadas pelo preenchimento de tubos de aço com concreto de borracha para aumentar a ductilidade e a eficiência energética das estruturas compostas4.Não só aproveita o excelente desempenho dos membros do CFST, mas também faz uso eficiente dos resíduos de borracha, o que atende às necessidades de desenvolvimento de uma economia circular verde5,6.
Nos últimos anos, o comportamento de membros tradicionais de CFST sob carga axial7,8, interação carga-momento axial9,10,11 e flexão pura12,13,14 tem sido intensamente estudado.Os resultados mostram que a capacidade de flexão, rigidez, ductilidade e capacidade de dissipação de energia dos pilares e vigas CFST são melhoradas pelo preenchimento interno do concreto e apresentam boa ductilidade à fratura.
Atualmente, alguns pesquisadores têm estudado o comportamento e desempenho de pilares RuCFST sob cargas axiais combinadas.Liu e Liang15 realizaram vários experimentos em colunas curtas de RuCFST e, em comparação com colunas CFST, a capacidade de suporte e a rigidez diminuíram com o aumento do grau de substituição de borracha e do tamanho das partículas de borracha, enquanto a ductilidade aumentou.Duarte4,16 testou diversas colunas curtas de RuCFST e mostrou que as colunas de RuCFST eram mais dúcteis com o aumento do teor de borracha.Liang17 e Gao18 também relataram resultados semelhantes nas propriedades de plugues RuCFST lisos e de paredes finas.Gu et al.19 e Jiang et al.20 estudaram a capacidade de suporte de elementos RuCFST em alta temperatura.Os resultados mostraram que a adição de borracha aumentou a ductilidade da estrutura.À medida que a temperatura aumenta, a capacidade de suporte inicialmente diminui ligeiramente.Patel21 analisou o comportamento à compressão e flexão de vigas curtas de CFST e pilares com extremidades arredondadas sob carregamento axial e uniaxial.A modelagem computacional e a análise paramétrica demonstram que as estratégias de simulação baseadas em fibra podem examinar com precisão o desempenho de RCFSTs curtos.A flexibilidade aumenta com a relação de aspecto, resistência do aço e do concreto, e diminui com a relação entre profundidade e espessura.Em geral, as colunas RuCFST curtas comportam-se de forma semelhante às colunas CFST e são mais dúcteis que as colunas CFST.
Pode-se observar na revisão acima que as colunas RuCFST melhoram após o uso adequado de aditivos de borracha no concreto base das colunas CFST.Como não há carga axial, a flexão resultante ocorre em uma extremidade da viga do pilar.Na verdade, as características de flexão do RuCFST são independentes das características de carga axial22.Na engenharia prática, as estruturas RuCFST são frequentemente submetidas a cargas de momento fletor.O estudo de suas propriedades de flexão pura ajuda a determinar os modos de deformação e falha de elementos RuCFST sob ação sísmica23.Para estruturas RuCFST, é necessário estudar as propriedades de flexão pura dos elementos RuCFST.
Neste sentido, seis amostras foram testadas para estudar as propriedades mecânicas de elementos de tubos quadrados de aço puramente curvos.O restante deste artigo está organizado da seguinte forma.Primeiramente, foram ensaiados seis corpos de prova de seção quadrada com ou sem enchimento de borracha.Observe o modo de falha de cada amostra para obter resultados de teste.Em segundo lugar, o desempenho dos elementos RuCFST em flexão pura foi analisado e o efeito de uma relação cisalhamento-vão de 3-5 e uma taxa de substituição de borracha de 10-20% nas propriedades estruturais do RuCFST foi discutido.Finalmente, são comparadas as diferenças na capacidade de carga e na rigidez à flexão entre os elementos RuCFST e os elementos CFST tradicionais.
Foram concluídos seis corpos de prova de CFST, sendo quatro preenchidos com concreto emborrachado, um preenchido com concreto normal e o sexto vazio.Os efeitos da taxa de troca da borracha (r) e da razão de cisalhamento do vão (λ) são discutidos.Os principais parâmetros da amostra são apresentados na Tabela 1. A letra t denota a espessura do tubo, B é o comprimento da lateral da amostra, L é a altura da amostra, Mue é a capacidade de flexão medida, Kie é a inicial rigidez à flexão, Kse é a rigidez à flexão em serviço.cena.
O corpo de prova RuCFST foi fabricado a partir de quatro placas de aço soldadas em pares para formar um tubo quadrado oco de aço, que foi então preenchido com concreto.Uma placa de aço com 10 mm de espessura é soldada em cada extremidade da amostra.As propriedades mecânicas do aço são mostradas na Tabela 2. De acordo com a norma chinesa GB/T228-201024, a resistência à tração (fu) e a resistência ao escoamento (fy) de um tubo de aço são determinadas por um método de teste de tração padrão.Os resultados do teste são 260 MPa e 350 MPa, respectivamente.O módulo de elasticidade (Es) é 176 GPa e o índice de Poisson (ν) do aço é 0,3.
Durante os testes, a resistência à compressão cúbica (fcu) do concreto de referência no dia 28 foi calculada em 40 MPa.As relações 3, 4 e 5 foram escolhidas com base na referência anterior 25, pois isso pode revelar quaisquer problemas com a transmissão de mudança.Duas taxas de substituição de borracha de 10% e 20% substituem a areia na mistura de concreto.Neste estudo, foi utilizado pó de borracha de pneu convencional da fábrica de cimento Tianyu (marca Tianyu na China).O tamanho das partículas de borracha é de 1-2 mm.A Tabela 3 mostra a proporção de concreto de borracha e misturas.Para cada tipo de concreto borracha foram moldados três cubos com 150 mm de lado e curados nas condições de ensaio prescritas pelas normas.A areia usada na mistura é areia siliciosa e o agregado graúdo é rocha carbonática na cidade de Shenyang, nordeste da China.A resistência à compressão cúbica de 28 dias (fcu), a resistência à compressão prismática (fc') e o módulo de elasticidade (Ec) para várias taxas de substituição de borracha (10% e 20%) são mostradas na Tabela 3. Implemente o padrão GB50081-201926.
Todos os corpos de prova são ensaiados com um cilindro hidráulico com força de 600 kN.Durante o carregamento, duas forças concentradas são aplicadas simetricamente à bancada de teste de flexão de quatro pontos e depois distribuídas pela amostra.A deformação é medida por cinco extensômetros em cada superfície da amostra.O desvio é observado usando três sensores de deslocamento mostrados nas Figuras 1 e 2. 1 e 2.
O teste usou um sistema de pré-carga.Carregue a uma velocidade de 2kN/s, depois faça uma pausa em uma carga de até 10kN, verifique se a ferramenta e a célula de carga estão em condições normais de funcionamento.Dentro da faixa elástica, cada incremento de carga se aplica a menos de um décimo da carga de pico prevista.Quando o tubo de aço se desgasta, a carga aplicada é inferior a um décimo quinto da carga de pico prevista.Segure por cerca de dois minutos após aplicar cada nível de carga durante a fase de carregamento.À medida que a amostra se aproxima da falha, a taxa de carregamento contínuo diminui.Quando a carga axial atinge menos de 50% da carga final ou danos óbvios são encontrados na amostra, o carregamento é encerrado.
A destruição de todos os corpos de prova apresentou boa ductilidade.Nenhuma fissura de tração óbvia foi encontrada na zona de tração do tubo de aço da peça de teste.Os tipos típicos de danos aos tubos de aço são mostrados na fig.3. Tomando a amostra SB1 como exemplo, no estágio inicial de carregamento quando o momento fletor é inferior a 18 kN m, a amostra SB1 está no estágio elástico sem deformação óbvia, e a taxa de aumento no momento fletor medido é maior que a taxa de aumento da curvatura.Posteriormente, o tubo de aço na zona de tração é deformável e passa para o estágio elástico-plástico.Quando o momento fletor atinge cerca de 26 kNm, a zona de compressão do aço de médio vão começa a se expandir.O edema se desenvolve gradualmente à medida que a carga aumenta.A curva carga-deflexão não diminui até que a carga atinja seu ponto máximo.
Após a conclusão do experimento, as amostras SB1 (RuCFST) e SB5 (CFST) foram cortadas para observar mais claramente o modo de ruptura do concreto base, conforme mostrado na Figura 4. Pode-se observar na Figura 4 que as fissuras na amostra Os SB1 estão distribuídos de maneira uniforme e esparsa no concreto base, e a distância entre eles é de 10 a 15 cm.A distância entre fissuras na amostra SB5 é de 5 a 8 cm, as fissuras são irregulares e evidentes.Além disso, as fissuras na amostra SB5 estendem-se cerca de 90° da zona de tensão até à zona de compressão e desenvolvem-se até cerca de 3/4 da altura da secção.As principais fissuras do concreto na amostra SB1 são menores e menos frequentes que na amostra SB5.A substituição da areia pela borracha pode, até certo ponto, prevenir o desenvolvimento de fissuras no concreto.
Na fig.5 mostra a distribuição da deflexão ao longo do comprimento de cada corpo de prova.A linha sólida é a curva de deflexão da peça de teste e a linha pontilhada é a meia onda senoidal.Da fig.A Figura 5 mostra que a curva de deflexão da haste está em boa concordância com a curva de meia onda senoidal no carregamento inicial.À medida que a carga aumenta, a curva de deflexão desvia-se ligeiramente da curva de meia onda sinusoidal.Como regra, durante o carregamento, as curvas de deflexão de todas as amostras em cada ponto de medição são uma curva semi-senoidal simétrica.
Como a deflexão dos elementos RuCFST em flexão pura segue uma curva de meia onda senoidal, a equação de flexão pode ser expressa como:
Quando a deformação máxima da fibra é 0,01, considerando as condições reais de aplicação, o momento fletor correspondente é determinado como a capacidade de momento fletor último do elemento27.A capacidade de momento fletor medida (Mue) assim determinada é mostrada na Tabela 1. De acordo com a capacidade de momento fletor medida (Mue) e a fórmula (3) para cálculo da curvatura (φ), a curva M-φ da Figura 6 pode ser traçado.Para M = 0,2Mue28, a rigidez inicial Kie é considerada como a rigidez à flexão correspondente.Quando M = 0,6Mue, a rigidez à flexão (Kse) da etapa de trabalho foi definida para a rigidez à flexão secante correspondente.
Pode-se observar na curva de curvatura do momento fletor que o momento fletor e a curvatura aumentam significativamente linearmente no estágio elástico.A taxa de crescimento do momento fletor é claramente superior à da curvatura.Quando o momento fletor M é 0,2Mue, a amostra atinge o estágio limite elástico.À medida que a carga aumenta, a amostra sofre deformação plástica e passa para o estágio elastoplástico.Com um momento fletor M igual a 0,7-0,8 Mue, o tubo de aço será deformado na zona de tensão e na zona de compressão alternadamente.Ao mesmo tempo, a curva Mf da amostra começa a se manifestar como um ponto de inflexão e cresce de forma não linear, o que potencializa o efeito combinado do tubo de aço e do núcleo de concreto de borracha.Quando M é igual a Mue, a amostra entra no estágio de endurecimento plástico, com a deflexão e a curvatura da amostra aumentando rapidamente, enquanto o momento fletor aumenta lentamente.
Na fig.7 mostra curvas de momento fletor (M) versus deformação (ε) para cada amostra.A parte superior da seção intermediária da amostra está sob compressão e a parte inferior está sob tensão.Os extensômetros marcados com “1″ e “2″ estão localizados na parte superior da peça de teste, os extensômetros marcados com “3″ estão localizados no meio da amostra e os extensômetros marcados com “4″ e “5″.”estão localizados sob a amostra de teste.A parte inferior da amostra é mostrada na Fig. 2. Na Fig. 7 pode-se observar que na fase inicial de carregamento, as deformações longitudinais na zona de tração e na zona de compressão do elemento são muito próximas, e o as deformações são aproximadamente lineares.Na parte intermediária, há um ligeiro aumento de deformação longitudinal, mas a magnitude desse aumento é pequena. Posteriormente, o concreto de borracha na zona de tensão rachou. Porque o tubo de aço na zona de tensão só precisa suportar a força, e o concreto de borracha e tubo de aço na zona de compressão suportam a carga juntos, a deformação na zona de tensão do elemento é maior do que a deformação na À medida que a carga aumenta, as deformações excedem a resistência ao escoamento do aço, e o tubo de aço entra o estágio elastoplástico. A taxa de aumento na deformação da amostra foi significativamente maior que o momento fletor, e a zona plástica começou a se desenvolver em toda a seção transversal.
As curvas M-um para cada amostra são mostradas na Figura 8. Na fig.8, todas as curvas M-um seguem a mesma tendência dos membros tradicionais do CFST22,27.Em cada caso, as curvas M-um mostram uma resposta elástica na fase inicial, seguida de um comportamento inelástico com rigidez decrescente, até que o momento fletor máximo admissível seja gradualmente alcançado.No entanto, devido aos diferentes parâmetros de teste, as curvas M-um são ligeiramente diferentes.O momento de deflexão para relações cortante-vão de 3 a 5 é mostrado na fig.8h.A capacidade de flexão admissível da amostra SB2 (fator de cisalhamento λ = 4) é 6,57% menor que a da amostra SB1 (λ = 5), e a capacidade de momento fletor da amostra SB3 (λ = 3) é maior que a da amostra SB2 (λ = 4) 3,76%.De modo geral, à medida que a relação entre corte e vão aumenta, a tendência de mudança no momento admissível não é óbvia.A curva M-um não parece estar relacionada com a relação cisalhamento-vão.Isto é consistente com o que Lu e Kennedy25 observaram para vigas CFST com relações cortante-vão variando de 1,03 a 5,05.Uma possível razão para os membros CFST é que, em diferentes relações de cisalhamento do vão, o mecanismo de transmissão de força entre o núcleo de concreto e os tubos de aço é quase o mesmo, o que não é tão óbvio quanto para os membros de concreto armado25.
Da fig.8b mostra que a capacidade de suporte das amostras SB4 (r = 10%) e SB1 (r = 20%) é ligeiramente superior ou inferior à da amostra tradicional CFST SB5 (r = 0), e aumentou 3,15 por cento e diminuiu em 1,57 por cento.No entanto, a rigidez inicial à flexão (Kie) das amostras SB4 e SB1 é significativamente superior à da amostra SB5, que são 19,03% e 18,11%, respectivamente.A rigidez à flexão (Kse) das amostras SB4 e SB1 em fase de operação é 8,16% e 7,53% superior à da amostra SB5, respectivamente.Eles mostram que a taxa de substituição da borracha tem pouco efeito na capacidade de flexão, mas tem um grande efeito na rigidez à flexão das amostras RuCFST.Isto pode ser devido ao fato de que a plasticidade do concreto de borracha nas amostras RuCFST é maior do que a plasticidade do concreto natural nas amostras convencionais de CFST.Em geral, fissuras e fissuras no concreto natural começam a se propagar mais cedo do que no concreto emborrachado29.A partir do modo de ruptura típico do concreto base (Fig. 4), as fissuras da amostra SB5 (concreto natural) são maiores e mais densas que as da amostra SB1 (concreto borracha).Isto pode contribuir para a maior contenção proporcionada pelos tubos de aço para a amostra de Concreto Armado SB1 em comparação com a amostra de Concreto Natural SB5.O estudo Durate16 também chegou a conclusões semelhantes.
Da fig.8c mostra que o elemento RuCFST tem melhor capacidade de flexão e ductilidade do que o elemento de tubo de aço oco.A resistência à flexão da amostra SB1 do RuCFST (r = 20%) é 68,90% maior que a da amostra SB6 do tubo de aço vazio, e a rigidez à flexão inicial (Kie) e a rigidez à flexão na fase de operação (Kse) da amostra SB1 são 40,52% respectivamente., superior à amostra SB6, foi 16,88% superior.A ação combinada do tubo de aço e do núcleo de concreto emborrachado aumenta a capacidade de flexão e a rigidez do elemento compósito.Os elementos RuCFST apresentam amostras de boa ductilidade quando submetidos a cargas de flexão pura.
Os momentos fletores resultantes foram comparados com os momentos fletores especificados nas normas de projeto atuais, como as regras japonesas AIJ (2008) 30, as regras britânicas BS5400 (2005) 31, as regras europeias EC4 (2005) 32 e as regras chinesas GB50936 (2014) 33. momento fletor (Muc) ao momento fletor experimental (Mue) é dado na Tabela 4 e apresentado na fig.9. Os valores calculados de AIJ (2008), BS5400 (2005) e GB50936 (2014) são 19%, 13,2% e 19,4% inferiores aos valores experimentais médios, respectivamente.O momento fletor calculado pelo EC4 (2005) está 7% abaixo do valor médio do ensaio, que é o mais próximo.
As propriedades mecânicas dos elementos RuCFST sob flexão pura são investigadas experimentalmente.Com base na pesquisa, as seguintes conclusões podem ser tiradas.
Os membros testados do RuCFST exibiram comportamento semelhante aos padrões tradicionais do CFST.Com exceção dos corpos de prova vazios de tubos de aço, os corpos de prova RuCFST e CFST apresentam boa ductilidade devido ao preenchimento de concreto de borracha e concreto.
A relação cisalhamento-vão variou de 3 a 5 com pouco efeito no momento ensaiado e na rigidez à flexão.A taxa de substituição da borracha praticamente não tem efeito sobre a resistência da amostra ao momento fletor, mas tem um certo efeito na rigidez à flexão da amostra.A rigidez flexural inicial da amostra SB1 com uma taxa de substituição de borracha de 10% é 19,03% maior que a da amostra tradicional CFST SB5.O Eurocódigo EC4 (2005) permite uma avaliação precisa da capacidade final de flexão dos elementos RuCFST.A adição de borracha ao concreto base melhora a fragilidade do concreto, conferindo aos elementos confucionistas uma boa tenacidade.
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Horário da postagem: 05 de janeiro de 2023