Lapszámok

A KUTATÁS CÉLJA

A trapézlemezgerinc gerendatartók gerinclemezeként való alkalmazása számos kedvező tulajdonságának köszönhetően modernizálja az öszvér- és hibridgerendák gyártását és alternatív, versenyképes szerkezetet jelent kis fesztávolságú szerkezetek esetén a hagyományos előregyártott vasbeton szerkezetekkel szemben, valamint gazdaságosabbá teheti a hagyományos öszvérszerkezetek alkalmazását közepes és nagy fesztávolságú gerendák esetén is. Az acél övlemezek elhagyása továbbá a fáradás szempontjából kritikus hegesztési varratok megszűnéséhez vezet. Az így kialakuló betonlemezbe ágyazott trapézlemezgerinc már önmagában rendelkezik nyírási teherbírással, azonban további együttdolgoztató nyírt kapcsolatot szükséges hozzáadni a rendszerhez. Erre a célra leginkább a beágyazott részre vízszintesen hegesztett fejes csapokat, perfobondhoz hasonló zárt kivágásokat, vagy nyitott kivágásokat, úgynevezett beton dübeleket használnak.

Az innovatív, beágyazott trapézlemezes kapcsolatokra az Eurocode jelenleg nem ad méretezési ajánlást, így ezen kapcsolatok méretezése kísérlettel segített tervezést igényel. Gyorsan és egyszerűen használható méretezési formula kifejlesztésére azonban egyértelmű igény mutatkozik, néhány formula már meg is található a nemzetközi szakirodalomban, azonban ezek fejlesztésre szorulnak. Ezért 2017-ben és 2018-ban a BME Hidak és Szerkezetek Tanszékén egy kísérleti és numerikus kutatási programot hajtottunk végre a beágyazott trapézlemezgerincű öszvér- és hibridtartók nyírt kapcsolatának vizsgálatára. Összesen 57 darab trapézlemezgerinccel kialakított öszvér próbatestet vizsgáltunk, melyből 43 darab övlemez nélküli beágyazott és 14 darab övlemezzel rendelkező próbatest volt. Jelen összefoglaló a trapézlemez hajlítási szögére és a betonlemezek szilárdságára fókuszál, ezen paraméterek hatásait 6 próbatesten mutatjuk be.

KINYOMÓ KÍSÉRLETEK ISMERTETÉSE

A próbatestek hasonló geometriával lettek kialakítva, csak olyan paraméterek változnak, amelyek a nyírási teherbírás szempontjából lényegesek. Jelen összefoglaló egyetlen geometriai változóval, a trapézprofil hajlítási szögével foglalkozik, a többi paraméter állandó. A betonlemez vastagsága 17 cm, szélessége 68 cm, az acél trapézlemez beágyazási mélysége 10 cm. A trapézprofil vastagsága 10 mm, lemezmezőinek szélessége 200 mm, hajlítási szöge 30- 45-60°. Az itt bemutatott próbatestek a beágyazott trapézlemezszakaszon kívül nem tartalmaznak egyéb együttdolgoztató nyírt kapcsolatot. A betonlemezek C25 és C50 jelű betonból készültek, a valós szilárdságot próbakockák segítségével határoztuk meg. Az acélelemek szilárdsága a szakítóvizsgálatok alapján 367 MPa.

A kísérletek során a 600 tonnás hidraulikus sajtó által biztosított terhelőerőt, a beton és acél közötti megcsúszást, illetve az acélelem középső, globális lehajlását mértük, így 3 elmozdulásmérőt rögzítettünk a próbatesteken. A betontömbök alján 3 acél vonórudat vezettünk át, amelyekkel a teher külpontosságából adódó hajlítás okozta, a betonlemez alsó részén keletkező nyomást vettük fel, így ez a hatás kevésbé befolyásolta a kísérleti teherbírási eredményeket.

A terhelőerőt a felső, vastag acéllemezen működtettük, a terhelést az EN 1994-1-1 szabvány B mellékletének megfelelően végeztük: a próbatestet először – az acéllemez és a vasbetontömb közötti kémiai kötés felszakítása érdekében – ciklikusan, majd tönkremenetelig terheltük.

Próbatest betonlemezeinek mért szilárdsága és fajlagos nyírási ellenállása

TÖNKREMENETELI MÓDOK

A kísérletek során két fő tönkremeneteli mód volt tapasztalható: a betonövek szétnyílása, illetve a betonmorzsolódás. A beágyazott szakaszon a trapézprofil a ferde lemezmezők alatt nyomást ad át a betonra, a nyomóerő iránya a trapézlemez ferde felületére merőleges. A ferde erő két komponensre bontható, hossztengellyel párhuzamosra és hossztengelyre merőlegesre. A legkisebb, 30°-os hajlásszögű profil esetén a hossztengelyre merőleges, keresztirányú nyomatékot okozó erőkomponens a nagyobb, így a betonlemez szétnyílása volt megfigyelhető. A legnagyobb, 60°-os hajlásszögű profil esetén a hossztengellyel párhuzamos, nyomást-nyírást okozó erőkomponens a nagyobb, így a betonmorzsolódás okozta a tönkremenetelt. A 45°-os hajlásszögű trapézprofil esetén a két jelenség kombinációját figyeltük meg.

TRAPÉZPROFIL HAJLÍTÁSI SZÖGÉNEK HATÁSA

Az erő-elmozdulás diagramokat összehasonlítva látható, hogy a különböző trapézprofilok nem okoznak jelentős változást a kezdeti merevségben. A görbék jellege is hasonló, a kapcsolat rendkívül duktilis. A folytonos görbék csúcspontjait vizsgálva szembetűnő a hajlítási szög teherbírás-növelő hatása. A táblázatból kiolvasható, hogy 30°-ról 45°-ra C25 beton esetén 117%, C50 beton esetén 90%, míg 45°-ról 60°-ra C25 beton esetén 50%, C50 beton esetén 63% teherbírás-növekedés történt. Ennek oka a teherátadó felület (ferde lemezmezők) növekedése a hajlásszöggel. A BETONSZILÁRDSÁG HATÁSA A trapézlemez hajlásszögéhez hasonlóan az eltérő betonszilárdság sem okoz nagy változást az erő-elmozdulás görbék karakterisztikájában. A betonszilárdság teherbírásnövelő hatása is egyértelműen látszik, azonban a hajlásszöghöz hasonlítva ez kisebb mértékű növekedést jelent. A táblázatból kiolvasható, hogy C25-ről C50-re való szilárdságnövelés esetén 30-45-60°-os hajlásszögeknél a teherbírás-növekedés mértéke 26-10-20%. Ennek oka a nyomott-nyírt betonfelületek megnövekedett ellenállása, így nagyobb hajlásszögek esetén a betonszilárdság hatása a megnövekedett teherátadó felületek miatt nőni fog.

A próbatestek és a trapézprofilok geometriája

NUMERIKUS MODELL FEJLESZTÉSE

Jelenleg numerikus modell fejlesztése folyik a próbatestekhez, amely ATENA-GiD környezetben történik a részletes beton anyagmodell kalibráció érdekében. A próbatestek modelljei testelemekből készültek, tartalmazzák a betonacélokat és az acél-, valamint a betonelemek tényleges érintkezési felületeit, az anyagmodellek nemlineárisak, beton esetén lehetővé teszik a repedést-morzsolódást. Az ATENA a megrepedt részeken már nem veszi figyelembe a beton húzószilárdságát.

Próbatestek erő-elmozdulás görbéi

Jelenlegi állapotban a numerikus modell időlépcsőkben való terhelése során a repedésterjedés, illetve a tönkremeneteli mód és repedéskép jó egyezést mutat a kísérleteknél megfigyeltekkel. A modell ezek alapján alkalmas a jelenség vizsgálatára, így a betontömbben vizsgálható a feszültségek terjedése is. A modell alapján a trapézlemez töréspontjain keletkeznek a legnagyobb feszültségek, a lemezmezők középső részén, ahol a beton megtámasztja a lemezt, kisebb mértékű teherátadás történik. A kísérletekkel összhangban a ferde lemezmezők alatti intenzív betonmorzsolódás a törőteher ~75%-ánál indul meg. A modell láthatóan visszaadja a kisebb trapézlemez-hajlásszög esetén tapasztalt betonlemez-szétnyílást, és a nagyobb trapézprofil-hajlásszög esetén tapasztalt betonmorzsolódást.

Próbatestek tönkremenetelének összehasonlítása: kísérlet és numerikus modell

Köszönetnyilvánítás

A kutatási program a „BridgeBeam” K+F+I GINOP-2.1.1-15-2015-00659 projekt keretében valósult meg; a támogatásért köszönettel tartozunk. A cikk az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-19-3 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának szakmai támogatásával készült.
Témavezetők:
Dr. Kövesdi Balázs egyetemi docens, BME ÉMK
Dr. Kovács Nauzika egyetemi docens, BME ÉMK