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Quattro elementi di tubo in acciaio-calcestruzzo in gomma (RuCFST), un elemento di tubo in acciaio-cemento (CFST) e un elemento vuoto sono stati testati in condizioni di flessione pura.I parametri principali sono il rapporto di taglio (λ) da 3 a 5 e il rapporto di sostituzione della gomma (r) dal 10% al 20%.Si ottengono una curva momento flettente-deformazione, una curva momento flettente-deformazione e una curva momento flettente-curvatura.È stata analizzata la modalità di distruzione del calcestruzzo con nucleo in gomma.I risultati mostrano che il tipo di cedimento degli elementi RuCFST è il cedimento per piegatura.Le crepe nel calcestruzzo gommoso sono distribuite in modo uniforme e con parsimonia e il riempimento del calcestruzzo centrale con gomma impedisce lo sviluppo di crepe.Il rapporto taglio-campata ha avuto scarso effetto sul comportamento dei provini.Il tasso di sostituzione della gomma ha scarso effetto sulla capacità di sopportare un momento flettente, ma ha un certo effetto sulla rigidezza alla flessione del provino.Dopo il riempimento con calcestruzzo gommoso, rispetto ai campioni provenienti da un tubo d'acciaio vuoto, la capacità di flessione e la rigidità alla flessione risultano migliorate.
Grazie alle buone prestazioni sismiche e all'elevata capacità portante, le tradizionali strutture tubolari in cemento armato (CFST) sono ampiamente utilizzate nella moderna pratica ingegneristica1,2,3.Essendo un nuovo tipo di calcestruzzo gommoso, le particelle di gomma vengono utilizzate per sostituire parzialmente gli aggregati naturali.Le strutture RuCFST (RuCFST) sono formate riempiendo tubi di acciaio con calcestruzzo di gomma per aumentare la duttilità e l'efficienza energetica delle strutture composite4.Non solo si avvale delle eccellenti prestazioni dei membri CFST, ma fa anche un uso efficiente dei rifiuti di gomma, che soddisfa le esigenze di sviluppo di un’economia circolare verde5,6.
Negli ultimi anni, il comportamento degli elementi CFST tradizionali sotto carico assiale7,8, interazione carico-momento assiale9,10,11 e flessione pura12,13,14 è stato studiato intensamente.I risultati mostrano che la capacità di flessione, rigidità, duttilità e capacità di dissipazione di energia delle colonne e delle travi CFST sono migliorate dal riempimento interno del calcestruzzo e mostrano una buona duttilità alla frattura.
Attualmente alcuni ricercatori hanno studiato il comportamento e le prestazioni delle colonne RuCFST sotto carichi assiali combinati.Liu e Liang15 hanno eseguito diversi esperimenti su colonne RuCFST corte e, rispetto alle colonne CFST, la capacità portante e la rigidità diminuivano con l'aumentare del grado di sostituzione della gomma e della dimensione delle particelle di gomma, mentre la duttilità aumentava.Duarte4,16 ha testato diverse colonne RuCFST corte e ha dimostrato che le colonne RuCFST erano più duttili all'aumentare del contenuto di gomma.Anche Liang17 e Gao18 hanno riportato risultati simili sulle proprietà dei tappi RuCFST lisci e a pareti sottili.Gu et al.19 e Jiang et al.20 hanno studiato la capacità portante degli elementi RuCFST ad alta temperatura.I risultati hanno mostrato che l’aggiunta di gomma aumenta la duttilità della struttura.All’aumentare della temperatura, la capacità portante inizialmente diminuisce leggermente.Patel21 ha analizzato il comportamento a compressione e flessione di travi e colonne CFST corte con estremità arrotondate sotto carico assiale e monoassiale.La modellazione computazionale e l'analisi parametrica dimostrano che le strategie di simulazione basate su fibra possono esaminare accuratamente le prestazioni di brevi RCFST.La flessibilità aumenta con le proporzioni, la resistenza dell'acciaio e del calcestruzzo e diminuisce con il rapporto profondità/spessore.In generale, le colonne RuCFST corte si comportano in modo simile alle colonne CFST e sono più duttili delle colonne CFST.
Dalla revisione di cui sopra si può vedere che le colonne RuCFST migliorano dopo l'uso corretto di additivi di gomma nel calcestruzzo di base delle colonne CFST.Poiché non è presente alcun carico assiale, la flessione netta avviene ad un'estremità della trave della colonna.Infatti, le caratteristiche di flessione del RuCFST sono indipendenti dalle caratteristiche di carico assiale22.Nell'ingegneria pratica, le strutture RuCFST sono spesso soggette a carichi di momento flettente.Lo studio delle sue proprietà di flessione pura aiuta a determinare le modalità di deformazione e di rottura degli elementi RuCFST sotto azione sismica23.Per le strutture RuCFST, è necessario studiare le pure proprietà di flessione degli elementi RuCFST.
A questo proposito, sono stati testati sei campioni per studiare le proprietà meccaniche di elementi di tubi quadrati in acciaio puramente curvi.Il resto di questo articolo è organizzato come segue.Innanzitutto sono stati testati sei campioni a sezione quadrata con o senza riempimento in gomma.Osservare la modalità di guasto di ciascun campione per ottenere i risultati del test.In secondo luogo, sono state analizzate le prestazioni degli elementi RuCFST in pura flessione ed è stato discusso l'effetto di un rapporto taglio-campata di 3-5 e un rapporto di sostituzione della gomma del 10-20% sulle proprietà strutturali di RuCFST.Infine, vengono confrontate le differenze nella capacità portante e nella rigidezza alla flessione tra gli elementi RuCFST e gli elementi CFST tradizionali.
Sono stati completati sei campioni CFST, quattro riempiti di cemento gommato, uno riempito di cemento normale e il sesto era vuoto.Vengono discussi gli effetti della velocità di cambiamento della gomma (r) e del rapporto di taglio della campata (λ).I parametri principali del campione sono riportati nella Tabella 1. La lettera t indica lo spessore del tubo, B è la lunghezza del lato del campione, L è l'altezza del campione, Mue è la capacità di flessione misurata, Kie è l'iniziale rigidezza a flessione, Kse è la rigidezza a flessione in servizio.scena.
Il campione RuCFST è stato fabbricato da quattro piastre di acciaio saldate a coppie per formare un tubo d'acciaio quadrato cavo, che è stato poi riempito di cemento.Ad ogni estremità del provino è saldata una piastra di acciaio spessa 10 mm.Le proprietà meccaniche dell'acciaio sono mostrate nella Tabella 2. Secondo lo standard cinese GB/T228-201024, la resistenza alla trazione (fu) e la resistenza allo snervamento (fy) di un tubo d'acciaio sono determinate mediante un metodo di prova di trazione standard.I risultati del test sono rispettivamente 260 MPa e 350 MPa.Il modulo di elasticità (Es) è 176 GPa e il rapporto di Poisson (ν) dell'acciaio è 0,3.
Durante le prove, la resistenza cubica a compressione (fcu) del calcestruzzo di riferimento al giorno 28 è stata calcolata a 40 MPa.I rapporti 3, 4 e 5 sono stati scelti in base al precedente riferimento 25 poiché ciò potrebbe rivelare eventuali problemi con la trasmissione del cambio.Due tassi di sostituzione della gomma del 10% e del 20% sostituiscono la sabbia nella miscela di calcestruzzo.In questo studio è stata utilizzata la polvere di gomma convenzionale per pneumatici della Tianyu Cement Plant (marchio Tianyu in Cina).La dimensione delle particelle di gomma è 1-2 mm.La tabella 3 mostra il rapporto tra calcestruzzo di gomma e miscele.Per ogni tipo di calcestruzzo gommoso sono stati colati e polimerizzati tre cubi con un lato di 150 mm nelle condizioni di prova prescritte dalle norme.La sabbia utilizzata nella miscela è sabbia silicea e l'aggregato grossolano è roccia carbonatica nella città di Shenyang, nel nord-est della Cina.La resistenza alla compressione cubica a 28 giorni (fcu), la resistenza alla compressione prismatica (fc') e il modulo di elasticità (Ec) per vari rapporti di sostituzione della gomma (10% e 20%) sono mostrati nella Tabella 3. Implementare lo standard GB50081-201926.
Tutti i campioni di prova vengono testati con un cilindro idraulico con una forza di 600 kN.Durante il carico, due forze concentrate vengono applicate simmetricamente al banco di prova di flessione a quattro punti e quindi distribuite sul provino.La deformazione viene misurata da cinque estensimetri su ciascuna superficie del campione.La deviazione viene osservata utilizzando tre sensori di spostamento mostrati nelle Figure 1 e 2. 1 e 2.
Il test ha utilizzato un sistema di precarico.Caricare a una velocità di 2 kN/s, quindi fermarsi a un carico fino a 10 kN, controllare se l'utensile e la cella di carico sono in normali condizioni di lavoro.All'interno dell'elastico, ogni incremento di carico si applica a meno di un decimo del carico di picco previsto.Quando il tubo d'acciaio si consuma, il carico applicato è inferiore a un quindicesimo del carico di picco previsto.Tenere premuto per circa due minuti dopo aver applicato ciascun livello di carico durante la fase di caricamento.Man mano che il campione si avvicina al cedimento, la velocità di caricamento continuo rallenta.Quando il carico assiale raggiunge meno del 50% del carico massimo o si riscontra un danno evidente sul provino, il carico viene interrotto.
La distruzione di tutti i campioni di prova ha mostrato una buona duttilità.Non sono state riscontrate evidenti cricche da trazione nella zona di trazione del tubo d'acciaio del provino.Tipici tipi di danni ai tubi di acciaio sono mostrati in fig.3. Prendendo come esempio il campione SB1, nella fase iniziale del carico quando il momento flettente è inferiore a 18 kN·m, il campione SB1 si trova nella fase elastica senza evidenti deformazioni e il tasso di aumento del momento flettente misurato è maggiore di il tasso di aumento della curvatura.Successivamente il tubo d'acciaio nella zona tesa è deformabile e passa nella fase elasto-plastica.Quando il momento flettente raggiunge circa 26 kNm, la zona di compressione dell'acciaio a campata media inizia ad espandersi.L'edema si sviluppa gradualmente all'aumentare del carico.La curva carico-deformazione non diminuisce finché il carico non raggiunge il suo punto di picco.
Una volta completato l'esperimento, il campione SB1 (RuCFST) e il campione SB5 (CFST) sono stati tagliati per osservare più chiaramente la modalità di rottura del calcestruzzo di base, come mostrato in Fig. 4. Dalla Figura 4 si può vedere che le crepe nel campione Gli SB1 sono distribuiti in modo uniforme e sparso nel calcestruzzo di base e la distanza tra loro va da 10 a 15 cm.La distanza tra le crepe nel campione SB5 varia da 5 a 8 cm, le crepe sono irregolari ed evidenti.Inoltre le fessurazioni nel campione SB5 si estendono per circa 90° dalla zona tesa alla zona compressa e si sviluppano fino a circa 3/4 dell'altezza della sezione.Le principali fessure del calcestruzzo nel campione SB1 sono più piccole e meno frequenti rispetto al campione SB5.La sostituzione della sabbia con la gomma può, in una certa misura, impedire lo sviluppo di crepe nel calcestruzzo.
Nella fig.5 mostra la distribuzione della deflessione lungo la lunghezza di ciascun provino.La linea continua è la curva di deflessione del provino e la linea tratteggiata è la semionda sinusoidale.Dalla fig.La Figura 5 mostra che la curva di deflessione dell'asta è in buon accordo con la curva della semionda sinusoidale al carico iniziale.All'aumentare del carico, la curva di deflessione devia leggermente dalla curva della semionda sinusoidale.Di norma, durante il carico, le curve di deflessione di tutti i campioni in ciascun punto di misurazione sono una curva semisinusoidale simmetrica.
Poiché la deflessione degli elementi RuCFST nella flessione pura segue una curva a semionda sinusoidale, l'equazione della flessione può essere espressa come:
Quando la deformazione massima della fibra è 0,01, considerando le condizioni di applicazione effettive, il momento flettente corrispondente viene determinato come capacità del momento flettente ultimo dell'elemento27.La capacità del momento flettente misurata (Mue) così determinata è mostrata nella Tabella 1. In base alla capacità del momento flettente misurata (Mue) e alla formula (3) per il calcolo della curvatura (φ), la curva M-φ nella Figura 6 può essere tracciato.Per M = 0.2Mue28, la rigidezza iniziale Kie è considerata come la corrispondente rigidezza a flessione a taglio.Quando M = 0,6 Mue, la rigidezza a flessione (Kse) della fase di lavorazione è stata impostata sulla corrispondente rigidezza a flessione secante.
Dalla curva di curvatura del momento flettente si può vedere che il momento flettente e la curvatura aumentano in modo significativamente lineare nella fase elastica.La velocità di crescita del momento flettente è nettamente superiore a quella della curvatura.Quando il momento flettente M è 0,2 Mue, il provino raggiunge lo stadio limite elastico.All’aumentare del carico, il campione subisce una deformazione plastica e passa allo stadio elastoplastico.Con un momento flettente M pari a 0,7-0,8 Mue, il tubo d'acciaio si deformerà alternativamente nella zona di tensione e nella zona di compressione.Allo stesso tempo, la curva Mf del campione inizia a manifestarsi come un punto di flesso e cresce in modo non lineare, il che migliora l’effetto combinato del tubo d’acciaio e del nucleo in cemento-gomma.Quando M è uguale a Mue, il provino entra nella fase di indurimento plastico, con la deflessione e la curvatura del provino in rapido aumento, mentre il momento flettente aumenta lentamente.
Nella fig.7 mostra le curve del momento flettente (M) rispetto alla deformazione (ε) per ciascun campione.La parte superiore della sezione centrale del campione è sotto compressione e la parte inferiore è sotto tensione.Gli estensimetri contrassegnati con "1" e "2" si trovano nella parte superiore del provino, gli estensimetri contrassegnati con "3" si trovano al centro del provino e gli estensimetri contrassegnati con "4" e "5"." si trovano sotto il campione da testare.La parte inferiore del campione è mostrata in Fig. 2. Dalla Fig. 7 si vede che nella fase iniziale di carico, le deformazioni longitudinali nella zona di tensione e nella zona di compressione dell'elemento sono molto vicine, e la le deformazioni sono approssimativamente lineari.Nella parte centrale si nota un leggero aumento della deformazione longitudinale, ma l'entità di questo aumento è piccola. Successivamente, il calcestruzzo di gomma nella zona di tensione si è rotto. Poiché il tubo d'acciaio nella zona di tensione deve sopportare solo la forza, e il il calcestruzzo di gomma e il tubo d'acciaio nella zona di compressione sopportano il carico insieme, la deformazione nella zona di tensione dell'elemento è maggiore della deformazione nella zona di compressione. All'aumentare del carico, le deformazioni superano il carico di snervamento dell'acciaio e il tubo d'acciaio entra lo stadio elastoplastico. Il tasso di aumento della deformazione del campione è stato significativamente superiore al momento flettente e la zona plastica ha iniziato a svilupparsi fino alla sezione trasversale completa.
Le curve M-um per ciascun campione sono mostrate nella Figura 8. Nella fig.8, tutte le curve M-um seguono lo stesso andamento dei tradizionali membri CFST22,27.In ogni caso, le curve M-um mostrano una risposta elastica nella fase iniziale, seguita da un comportamento anelastico con rigidezza decrescente, fino al raggiungimento graduale del momento flettente massimo ammissibile.Tuttavia, a causa dei diversi parametri del test, le curve M-um sono leggermente diverse.Il momento flettente per rapporti taglio-campata da 3 a 5 è mostrato in fig.8a.La capacità di flessione ammissibile del campione SB2 (fattore di taglio λ = 4) è inferiore del 6,57% rispetto a quella del campione SB1 (λ = 5) e la capacità di momento flettente del campione SB3 (λ = 3) è maggiore di quella del campione SB2 (λ = 4) 3,76%.In generale, all’aumentare del rapporto taglio-campata, l’andamento della variazione del momento ammissibile non è evidente.La curva M-um non sembra essere correlata al rapporto taglio-campata.Ciò è coerente con quanto osservato da Lu e Kennedy25 per le travi CFST con rapporti taglio-campata compresi tra 1,03 e 5,05.Una possibile ragione per gli elementi CFST è che a diversi rapporti di taglio della campata, il meccanismo di trasmissione della forza tra il nucleo di calcestruzzo e i tubi in acciaio è quasi lo stesso, il che non è così ovvio come per gli elementi in cemento armato25.
Dalla fig.8b mostra che la capacità portante dei campioni SB4 (r = 10%) e SB1 (r = 20%) è leggermente superiore o inferiore a quella del campione tradizionale CFST SB5 (r = 0), aumentata del 3,15% e diminuita del 1,57%.Tuttavia, la rigidezza iniziale alla flessione (Kie) dei campioni SB4 e SB1 è significativamente superiore a quella del campione SB5, che è rispettivamente del 19,03% e del 18,11%.La rigidezza alla flessione (Kse) dei campioni SB4 e SB1 in fase operativa è rispettivamente superiore dell'8,16% e del 7,53% rispetto a quella del campione SB5.Mostrano che il tasso di sostituzione della gomma ha poco effetto sulla capacità di flessione, ma ha un grande effetto sulla rigidità alla flessione dei campioni RuCFST.Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che la plasticità del calcestruzzo gommoso nei campioni RuCFST è superiore alla plasticità del calcestruzzo naturale nei campioni CFST convenzionali.In generale, le fessurazioni e le fessurazioni nel calcestruzzo naturale iniziano a propagarsi prima rispetto al calcestruzzo gommato29.Dalla tipica modalità di rottura del calcestruzzo di base (Fig. 4), le fessure del campione SB5 (calcestruzzo naturale) sono più grandi e più dense di quelle del campione SB1 (calcestruzzo gommoso).Ciò può contribuire al maggiore contenimento fornito dai tubi di acciaio per il campione di calcestruzzo armato SB1 rispetto al campione di calcestruzzo naturale SB5.Anche lo studio Durate16 è giunto a conclusioni simili.
Dalla fig.8c mostra che l'elemento RuCFST ha una migliore capacità di flessione e duttilità rispetto all'elemento tubo cavo in acciaio.La resistenza alla flessione del campione SB1 da RuCFST (r=20%) è superiore del 68,90% rispetto a quella del campione SB6 dal tubo d'acciaio vuoto, e la rigidità alla flessione iniziale (Kie) e la rigidità alla flessione nella fase operativa (Kse) del campione SB1 sono rispettivamente del 40,52%., che è superiore al campione SB6, è stato superiore del 16,88%.L'azione combinata del tubo in acciaio e dell'anima in calcestruzzo gommato aumenta la capacità di flessione e la rigidezza dell'elemento composito.Gli elementi RuCFST mostrano provini di buona duttilità quando sottoposti a carichi di flessione puri.
I momenti flettenti risultanti sono stati confrontati con i momenti flettenti specificati negli attuali standard di progettazione come le regole giapponesi AIJ (2008) 30, le regole britanniche BS5400 (2005) 31, le regole europee EC4 (2005) 32 e le regole cinesi GB50936 (2014) 33. momento flettente (Muc) al momento flettente sperimentale (Mue) è riportato nella Tabella 4 e presentato in fig.9. I valori calcolati di AIJ (2008), BS5400 (2005) e GB50936 (2014) sono rispettivamente inferiori del 19%, 13,2% e 19,4% rispetto ai valori medi sperimentali.Il momento flettente calcolato da EC4 (2005) è inferiore del 7% al valore medio di prova, che è il più vicino.
Le proprietà meccaniche degli elementi RuCFST sottoposti a flessione pura sono studiate sperimentalmente.Sulla base della ricerca si possono trarre le seguenti conclusioni.
I membri testati del RuCFST hanno mostrato un comportamento simile ai tradizionali modelli CFST.Ad eccezione dei campioni di tubi d'acciaio vuoti, i campioni RuCFST e CFST hanno una buona duttilità grazie al riempimento di calcestruzzo gommoso e calcestruzzo.
Il rapporto taglio/campata variava da 3 a 5 con scarso effetto sul momento testato e sulla rigidezza alla flessione.La velocità di sostituzione della gomma non ha praticamente alcun effetto sulla resistenza del campione al momento flettente, ma ha un certo effetto sulla rigidità alla flessione del campione.La rigidezza flessionale iniziale del provino SB1 con un rapporto di sostituzione della gomma del 10% è superiore del 19,03% rispetto a quella del provino tradizionale CFST SB5.L'Eurocodice EC4 (2005) consente una valutazione accurata della capacità ultima di flessione degli elementi RuCFST.L'aggiunta di gomma al calcestruzzo di base migliora la fragilità del calcestruzzo, conferendo agli elementi confuciani una buona tenacità.
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Orario di pubblicazione: 05-gen-2023