Egységteszt: Lehorgonyzás

Bevezetés 

Ebben a cikkben egy egységteszt-tanulmányt mutatunk be, amelynek célja a 3D-CSFM ellenőrzése a beton horgony kihúzási viselkedésének kísérleti eredményekkel való közvetlen összehasonlításán keresztül^[1]. Vizsgálatunk középpontjában a numerikus modellek előrejelző képességének értékelése áll a horgony viselkedésének kulcsfontosságú szempontjai, köztük a tönkremeneteli módok és az ultimatív teherbírás tekintetében. Tanulmányunk a horgonyátmérők széles skáláját öleli fel, a 10 mm-től a 32 mm-ig, tükrözve a gyakorlati mérnöki helyzetekben tapasztalható változatosságot. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy azonosítsuk az átmérőfüggő tendenciákat, és értékeljük a 3D-CSFM robusztusságát különböző méretarányokban. Megjegyzendő, hogy az összes szimuláció a 3D-CSFM keretein belül készül, amely az IDEA StatiCa Detail alkalmazásban implementált módszer, az összes paraméter alapértelmezett beállításaival. 

A tönkremeneteli módok meghatározása

A 3D-CSFM teljesítményének értékeléséhez az utólag beépített ragasztott horgonyok modellezésében két tönkremeneteli módot kell figyelembe venni: a kihúzást, ahol a tapadási feszültség (τ_b) egyenlő a méretezési tapadási feszültséggel (τ_bd), és magának a horgonynak a folyása, ami azt jelenti, hogy a határplasztikus alakváltozás elérésre kerül.

Az egységteszt felállítása

Ebben a tanulmányban a Hilti HIT-RE500 - SD Injectable Mortar with Reinforcement (500B) horgonyokat modellezték az IDEA StatiCa Detail alkalmazásban, és az eredményeket összehasonlították a kísérleti adatokkal^[1]. 

A betonblokkok méreteit és vasalását gondosan meghatározták, hogy csökkentsék a kihúzási viselkedésre gyakorolt esetleges hatásokat, ezáltal biztosítva a kísérleti eredmények érvényességét^[1]. Minden horgony egységteszthez egyetlen betonblokk-méretet alkalmaztak (1,0x1,0x0,5 m; SzxMxM). A blokk B 500B acélból készült, 8-14 mm átmérőjű rudakkal van vasalva. Minden felület körül 8 réteg rúd található (kivéve az alsó felületet, ahol a vasalás folyamatosan áthalad az alsó támaszon), a rétegek távolsága 135,0 mm.  Az összes vonatkozó építési szabvány által előírt biztonsági tényezőt szigorúan betartották, a számítások során 1,0-s értéket alkalmaztak. A horgonylyuk méretét a horgony saját átmérőjéhez képest nem vették explicit módon figyelembe a számítási modellben.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.1 Side view of a reinforced concrete block with glued in anchor}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2 View of a reinforced concrete block with highligted anchor. Diameter of anchor equals to 16 mm }}}\]

A horgony tapadási szilárdsága, a lehorgonyzási tervezés kritikus paramétere, a kísérleti megfontolások alapján 15,4 MPa-nak^[1], a második ellenőrző modellnél 12,0 MPa-nak adódott. Hasonlóképpen, a kísérlet alapján a horgony betonba való beágyazási hosszát következetesen határozták meg. A modellben figyelembe vették a betonblokk felett lévő, 50 mm-es plusz horgonyhosszt, amelyre a tengelyirányú húzóerőt alkalmazták. Ebben a tesztben 10 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm, 25 mm, 32 mm átmérőjű horgonyokat hasonlítottak össze a kísérleti eredményekkel. A kísérleti elrendezések összefoglalása a 2.2. táblázatban található.

A 3D-CSFM Solid Block modell alkalmazásával az elemzés átfogó vizsgálatot foglal magában, beleértve a horgony kihúzási jellemzőit, a kritikus terhelési küszöbértékek meghatározását és a tönkremeneteli módok részletes előrejelzését. 

Anyagtulajdonságok

A CSFM elemzésben használt beton, vasalás és horgony anyagtulajdonságait a 2.2. táblázat foglalja össze. A vasalás folyási feszültsége (\(f_{yk}\)) és ultimatív feszültsége (\(k \times f_{yk}\)), valamint a beton nyomószilárdsága (\(f_{ck}\)), plasztikus alakváltozása (\(\epsilon_{c2}\)) és határplasztikus alakváltozása (\(\epsilon_{cu2}\)) a kísérlet megjegyzéseiben rögzített feltételek alapján kerültek kiválasztásra. A tapadási szilárdságot a gyártó is megadja a mellékelt prospektusban.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3 Stress strain diagrams of materials: (a) Stress-strain diagram of reinforcement B 500B, (b) Stress-strain diagram of concrete C30/37 }}}\]

Összehasonlítás a kísérleti eredményekkel 

Ez a fejezet összehasonlítja a gyártó kísérleti eredményeit a 3D-CSFM által előrejelzett ultimatív terhelésekkel és tönkremeneteli módokkal. Hat ultimatív kihúzási terhelési értéket, amelyek különböző horgonyátmérőknek felelnek meg, hasonlítottak össze a 3D-CSFM eredményeivel. Emellett minden horgonyátmérőhöz meghatároztak egy adott tönkremeneteli módot.

Tönkremeneteli módok és ultimatív terhelések

A 2.4. táblázat átfogó összefoglalást nyújt a kísérleti tesztekben rögzített ultimatív terhelésekről (P_u,exp) és a 3D-CSFM által előrejelzett értékekről (P_u,3D-CSFM), a megfelelő tönkremeneteli módokkal együtt. Az egynél nagyobb arányok azt jelzik, hogy a modell előrejelzései konzervatívan magasabbak a mért értékeknél. Ahogy a 2.4. táblázatban látható, az összes 3D-CSFM elemzés által előrejelzett elsődleges tönkremeneteli módok összhangban vannak a kísérleti eredményekkel, bár egyes specifikus tönkremeneteli altípusokban eltérések mutatkoznak a nagyobb átmérőknél. A 3D-CSFM előrejelzések általában pontosak, a nagyobb átmérőknél 100%-nál nagyobb arányok által jelzett enyhén konzervatív tendenciával. 

Emellett a (\(P_{u,bar}\)) és (\(P_{u,bond}\)) értékeket kiszámították és hozzáadták a táblázathoz.

\(P_{u,bar}=A_{bar}\cdot k \cdot f_{yk}\)

\(P_{u,bond}=C_{bar}\cdot l_{bar} \cdot \tau_{bd}\)

Ahol (\(A_{bar}\)) a horgony keresztmetszetének területe, (\(C_{bar}\)) a horgony kerülete, és (\(l_{bar}\)) a horgony betonban lévő hossza.

A fent bemutatott értékekből látható, hogy a kísérlet célja annak igazolása, hogy a megoldó képes helyesen kiszámítani a kombinált kihúzási és YA tönkremeneteli módokat.

Emellett ugyanazokat a modelleket (\(\tau_{bd} = 12.0 MPa\)) tapadási szilárdsággal is kiszámították, és összehasonlították a (\(P_{u,bond}\)) analitikusan meghatározott értékeivel.

Az 1.4. ábra megerősíti a 2.4. táblázatban jelzett eredményeket, megmutatva, hogy a tapadási feszültség teljes kapacitása elérésre kerül, csakúgy mint a határalakváltozás, ami következésképpen ahhoz vezet, hogy a tönkremeneteli mód kihúzásként és YA-ként azonosítható.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4 Anchor 16 mm: Strain check value (left) and Bond stress (right) }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.5 Anchor 32 mm: Stress flow view }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.6 Anchor 25 mm: Stress in the reinforcement }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.7 Anchor 20 mm: Strain in the reinforcement }}}\]

Következtetés 

A kísérleti adatok^[1] és a 3D-CSFM béta verziója közötti összehasonlítás kielégítő korrelációt mutat. Az előzetes értékelés főbb megállapításai a következők:

• Erős korreláció állapítható meg az összes horgony esetében, ami nyilvánvaló a modellekben megfigyelt tönkremeneteli módokban és az ultimatív terhelések értékeiben. 
• Bár a 3D-CSFM még béta fázisban van, a kísérleti eredményekkel való összhangja kiemeli potenciális hasznosságát. Ez az egyezés bizonyos mértékű validációt nyújt az eszköz hatékonyságára vonatkozóan, bár fejlesztési szakaszára tekintettel óvatosan kell értelmezni.

Hivatkozások 

[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injectable Mortar with Rebar (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Elérhető: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf