Test unitar: Ancorare

Introducere 

În acest articol, prezentăm un studiu de test unitar destinat verificării metodei 3D-CSFM pentru comportamentul la smulgere al ancorelor din beton, prin comparație directă cu rezultatele experimentale^[1]. Investigația noastră se concentrează pe evaluarea capacității predictive a modelelor numerice de a surprinde aspectele esențiale ale comportamentului ancorelor, inclusiv modurile de cedare și capacitatea ultimă. Studiul acoperă o gamă variată de diametre ale ancorelor, de la 10 mm până la 32 mm, reflectând variabilitatea întâlnită în scenariile practice de inginerie. Aceasta ne permite să identificăm tendințele dependente de diametru și să evaluăm robustețea metodei 3D-CSFM la diferite scări. Este de menționat că toate simulările sunt efectuate în cadrul 3D-CSFM, o metodă implementată în IDEA StatiCa Detail, utilizând setările implicite pentru toți parametrii. 

Definiția modurilor de cedare

Pentru a evalua performanța metodei 3D-CSFM în modelarea ancorelor lipite post-instalate, trebuie să luăm în considerare două moduri de cedare: smulgerea, în care tensiunea de aderență (τ_b) este egală cu tensiunea de aderență de calcul (τ_bd), și curgerea ancorei înseși, adică atingerea deformației plastice limită.

Configurarea testului unitar

În acest studiu, ancorele Hilti HIT-RE500 - SD Injectable Mortar with Reinforcement (500B) au fost modelate în IDEA StatiCa Detail, iar rezultatele au fost comparate cu datele experimentale^[1]. 

Dimensiunile blocurilor de beton și armătura acestora au fost atent alese pentru a reduce orice efect potențial asupra comportamentului la smulgere, asigurând astfel validitatea rezultatelor experimentale^[1]. Un singur format de bloc de beton a fost utilizat pentru toate testele unitare ale ancorelor (1,0 x 1,0 x 0,5 m; L x D x H). Blocul este armat cu bare din oțel B 500B cu diametre de 8–14 mm. 8 straturi de bare pe fiecare suprafață (cu excepția suprafeței inferioare, unde barele sunt modelate ca continue prin rezemul de la bază), cu distanța dintre straturi de 135,0 mm.  Toți factorii de siguranță prevăzuți de codurile de construcție relevante au fost respectați cu strictețe, utilizând valoarea 1,0 în toate calculele. Dimensiunea găurii de ancorare față de diametrul ancorei în sine nu a fost luată în considerare explicit în modelul de calcul.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.1 Vedere laterală a unui bloc de beton armat cu ancoră lipită}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2 Vedere a unui bloc de beton armat cu ancora evidențiată. Diametrul ancorei este de 16 mm }}}\]

Rezistența de aderență a ancorei, un parametru critic în proiectarea ancorării, a fost determinată la 15,4 MPa conform considerațiilor experimentale^[1], și 12,0 MPa pentru al doilea model de verificare. De asemenea, conform experimentului, lungimea de înglobare a ancorei în blocul de beton a fost determinată în mod consistent. Lungimea suplimentară de 50 mm a ancorei deasupra blocului de beton, la care a fost aplicată forța axială de întindere, a fost luată în considerare în model. În acest test, ancorele cu diametre de 10 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm, 25 mm, 32 mm au fost comparate cu rezultatele experimentale. Configurațiile experimentale sunt rezumate în Tabelul 2.2.

Utilizând modelul 3D-CSFM Solid Block, analiza cuprinde o examinare cuprinzătoare a diverselor aspecte, inclusiv caracteristicile de smulgere ale ancorei, determinarea pragurilor de încărcare critice și predicția nuanțată a modurilor de cedare. 

Proprietăți ale materialelor

Proprietățile materialelor pentru beton, armătură și ancoră utilizate în analiza CSFM sunt rezumate în Tabelul 2.2. Tensiunea de curgere (\(f_{yk}\)) și tensiunea ultimă (\(k \times f_{yk}\)) ale armăturii, precum și rezistența la compresiune (\(f_{ck}\)), deformația plastică (\(\epsilon_{c2}\)) și deformația plastică limită (\(\epsilon_{cu2}\)) ale betonului au fost selectate pe baza condițiilor menționate în observațiile experimentale. Rezistența de aderență este specificată și de producător în prospectul furnizat.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3 Diagrame efort-deformație ale materialelor: (a) Diagrama efort-deformație a armăturii B 500B, (b) Diagrama efort-deformație a betonului C30/37 }}}\]

Comparație cu rezultatele experimentale 

Această secțiune compară rezultatele experimentale ale producătorului cu încărcările ultime și modurile de cedare prezise de metoda 3D-CSFM. Șase valori ale încărcării ultime de smulgere, corespunzătoare diferitelor diametre de ancoră, au fost comparate cu rezultatele obținute prin 3D-CSFM. De asemenea, a fost determinat un mod specific de cedare pentru fiecare diametru de ancoră.

Moduri de cedare și încărcări ultime

Tabelul 2.4 prezintă un rezumat cuprinzător al încărcărilor ultime înregistrate în testele experimentale (P_u,exp) și al celor prezise de metoda 3D-CSFM (P_u,3D-CSFM), împreună cu modurile de cedare corespunzătoare. Rapoartele mai mari decât unu indică faptul că predicțiile modelului sunt conservativ mai mari decât valorile măsurate. Așa cum reiese din Tabelul 2.4, modurile principale de cedare prezise de toate analizele 3D-CSFM sunt consistente cu constatările experimentale, deși se observă unele discrepanțe în subtipurile specifice de cedare pentru diametre mai mari. Predicțiile 3D-CSFM sunt în general precise, cu tendințe ușor conservative indicate de rapoarte mai mari de 100% pentru diametrele mai mari. 

De asemenea, valorile (\(P_{u,bar}\)) și (\(P_{u,bond}\)) au fost calculate și adăugate în tabel.

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

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

Unde (\(A_{bar}\)) este aria secțiunii transversale a ancorei, (\(C_{bar}\)) este circumferința ancorei, iar (\(l_{bar}\)) este lungimea ancorei în beton.

Se poate observa, din valorile prezentate mai sus, că experimentul este conceput pentru a demonstra că solverul este capabil să calculeze corect modurile combinate de cedare prin smulgere și curgere (YA).

În plus, aceleași modele cu rezistența de aderență (\(\tau_{bd} = 12.0 MPa\)) au fost calculate și comparate cu valorile determinate analitic ale (\(P_{u,bond}\)).

Figura 1.4 confirmă rezultatele indicate în Tabelul 2.4, arătând că capacitatea completă a tensiunii de aderență este atinsă, precum și deformația limită, ceea ce conduce la identificarea modului de cedare ca smulgere și curgere (YA).

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4 Ancoră 16 mm: Valoarea verificării deformației (stânga) și tensiunea de aderență (dreapta) }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.5 Ancoră 32 mm: Vedere a fluxului de tensiuni }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.6 Ancoră 25 mm: Tensiunea în armătură }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.7 Ancoră 20 mm: Deformația în armătură }}}\]

Concluzie 

Comparația dintre datele experimentale^[1] și versiunea beta a metodei 3D-CSFM indică o corelație satisfăcătoare. Principalele concluzii ale acestei evaluări preliminare includ:

• O corelație puternică a fost stabilită pentru toate ancorele, evidențiată prin modurile de cedare observate în modele și prin valorile încărcărilor ultime. 
• Deși metoda 3D-CSFM se află încă în faza beta, alinierea sa cu constatările experimentale evidențiază potențialul său de utilizare. Această concordanță oferă o validare parțială a eficacității instrumentului, deși trebuie interpretată cu prudență, având în vedere stadiul său de dezvoltare.

Referințe 

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