Overview
Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA
In un precedente laboratorio focalizzato sul calcestruzzo in compressione, abbiamo osservato che il calcestruzzo può sopportare sollecitazioni molto grandi sotto forze di compressione uniassiali. Tuttavia, i guasti osservati non erano guasti a compressione ma guasti lungo piani di taglio in cui si verificano forze di trazione massime. Pertanto, è importante comprendere il comportamento del calcestruzzo in tensione e in particolare la sua massima forza in quanto ciò governerà sia il suo comportamento finale che quello di servizio. Dal punto di vista finale, le combinazioni di tensioni e sollecitazioni di taglio porteranno a fessurazioni e guasti immediati e catastrofici. Per questo motivo, il calcestruzzo viene raramente se mai utilizzato in condizioni non rinforzate in applicazioni strutturali; la maggior parte degli elementi in calcestruzzo sarà rinforzata con acciaio in modo che queste crepe possano essere fermate e le larghezze delle fessure limitate. Quest'ultimo è importante dal punto di vista della manutenzione perché il controllo delle larghezze e della distribuzione delle fessure è la chiave per la durata, in quanto ciò impedirà ai sali di sbrinamento e alle sostanze chimiche simili di penetrare e corrodere l'acciaio di rinforzo.
Gli obiettivi di questo esperimento sono tre: (1) condurre prove di trazione a cilindro diviso per determinare la resistenza alla trazione del calcestruzzo, (2) condurre prove di travi per determinare la resistenza alla trazione del calcestruzzo e (3) dimostrare l'influenza del rinforzo in acciaio sul comportamento confrontando il comportamento della trave leggermente rinforzata con una non rinforzata.
Principles
La capacità di trazione (ft)di un materiale composito fragile come il calcestruzzo è spesso nell'intervallo di 1/10 della sua capacità di compressione (f'c). Questo comportamento è guidato dall'esistenza di uno strato molto debole, chiamato zona di transizione interfacciale (ITZ), tra la malta e l'aggregato. Questo strato molto sottile (solo circa 40 μm circa) contiene meno cemento non idratato e silicati di calcio idrati (C-S-H) rispetto alla malta, ma più grandi cristalli orientati di idrossido di calcio (C-H) e idrati di trisolfato (o ettringite, le lunghe strutture aghiche). Entrambi questi fattori contribuiscono a una maggiore porosità in questo strato e quindi a una minore resistenza. Inoltre, il fatto che la spaziatura media tra le particelle aggregate sia solo da 2 a 2,5 volte lo spessore dell'ITZ, significa che una quantità molto significativa della malta, secondo alcune stime fino al 40%, è costituita da questo materiale più debole.
Il comportamento fragile del calcestruzzo è guidato dalla crescita di microfesse che si propagano dalle concentrazioni di stress che si verificano tra l'aggregato e la malta. Qual è, concettualmente, lo stato di sollecitazione attorno a una particella aggregata rotonda idealizzata come un carico di compressione applicato? Mentre la compressione cerca di "fluire" intorno alla particella e il vettore di forza diventa inclinato, le forze di trazione si sviluppano nella direzione orizzontale. Queste forze sono più elevate all'interfaccia a causa delle concentrazioni di stress. La combinazione di grandi forze di trazione e una debole ITZ portano a fessurazioni preferenziali in quest'area.
Man mano che lo stress di compressione aumenta in una prova del cilindro, queste crepe iniziano a crescere e propagarsi come risultato delle tensioni di trazione trasversali, delle microfessche iniziali esistenti e della presenza della debole ITZ. La crescita della fessura diventerà instabile quando il calcestruzzo raggiungerà la sua massima resistenza e il calcestruzzo perderà la sua capacità di mantenere la forza molto rapidamente mentre le crepe si propagano a grande velocità. Ciò si traduce in un comportamento generale fragile per il calcestruzzo, così come per molti materiali ceramici simili con zone di interfaccia deboli.
La caratteristica bassa capacità di trazione del calcestruzzo rende anche molto difficile condurre una prova di tensione diretta, poiché i provini a trazione convenzionali tendono a fallire alle prese a causa delle concentrazioni di stress. Una soluzione elegante intorno a questo problema è quella di testare i cilindri dalla loro parte. Questo metodo è chiamato cilindro diviso o test brasiliano. In questa prova, man mano che ci si allontana dalle teste di carico, dove c'è uno stato di sollecitazione complesso, si svilupperà un campo di tensione di trazione orizzontale uniforme. Poiché il calcestruzzo è debole in tensione, ciò porterà a una fessura verticale e alla scissione del cilindro. Da studi statistici, la prova del cilindro diviso dovrebbe fornire capacità di trazione dell'ordine di 6√f'c.
Un altro modo indiretto di testare il calcestruzzo in tensione consiste nell'utilizzare un provino a trave corta in una configurazione di prova di flessione a quattro punti. La porzione centrale del fascio è sotto momento costante e zero shear, e quindi è possibile derivare una semplice relazione tra il carico di guasto, le proprietà geometriche e la resistenza alla trazione della trave usando i principi della teoria elastica. Il raggio fallirà improvvisamente non appena si forma una fessura sul fondo e non ha forza residua. Sebbene sia ben noto che al fallimento la distribuzione delle deformazioni attraverso la profondità della trave di calcestruzzo non segue del tutto quelle della teoria elastica, questa incoerenza è generalmente considerata avere poca influenza sui risultati finali. Da studi statistici, la prova di trazione del fascio dovrebbe fornire capacità di trazione dell'ordine di 7,5√f'c.
Il cedimento improvviso e fragile osservato nella prova della trave in calcestruzzo sarebbe inaccettabile in qualsiasi applicazione pratica, in cui sono necessarie duttilità e resistenza residua per trasportare almeno carichi gravitazionali. Il rinforzo in acciaio viene aggiunto nella parte inferiore (o sul lato di trazione) della trave per prevenire tali guasti improvvisi; quando il calcestruzzo inizia a incrinarsi, l'acciaio inizierà a prendere le forze di trazione. La tecnica funziona finché le barre, che hanno deformazioni superficiali per aiutarle a trasferire forze dal calcestruzzo, sono correttamente ancorate. Nel caso di una trave corta come quella che verrà testata qui, ciò si realizzerà fornendo un gancio all'estremità delle barre. Inoltre, poiché possono verificarsi crepe diagonali vicino alla profondità media del raggio, vengono generalmente fornite staffe verticali. Infine, a causa della natura indeterminata delle strutture in cemento armato, è difficile sapere con certezza dove saranno la tensione e la compressione su una trave sotto un particolare insieme di carichi. Per questo motivo, le barre saranno posizionate anche nella parte superiore, risultando nella tipica gabbia in acciaio che si vede nella maggior parte delle travi nelle strutture in cemento armato.
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Procedure
1. Test di tensione divisa
- Per questo test, utilizzare i cilindri campione che sono stati precedentemente preparati (vedere il video JoVE "Test sucalcestruzzofresco "). Ottenere due strisce sottili di legno di balsa o simili (circa 1/8" di spessore x 1" di larghezza x 8' di lunghezza) per aiutare a distribuire i carichi sui cilindri.
- Misurare le dimensioni dei due cilindri. Disegnate una linea lungo il diametro su ciascuna estremità del campione che taglia in due il cilindro.
- Centrare una striscia lungo il centro del blocco cuscinetto inferiore della macchina di prova.
- Posizionare il cilindro sulla striscia e allinearlo in modo che le linee segnate alle estremità del campione siano verticali e centrate sulla striscia.
- Posizionare una seconda striscia longitudinalmente sul cilindro.
- Abbassare la testa di carico superiore della macchina di prova fino a quando l'assieme non è fissato nella macchina.
- Stimare il carico massimo che il campione può assumere assumendo che la resistenza alla trazione sia di 6√f'c , dove f 'c è la resistenza nominale alla compressione del calcestruzzo.
- Applicare il carico di compressione lentamente (a circa 100 psi a 200 psi al minuto) e continuamente fino a quando il campione non si guasta in tensione divisa.
- Registrare il carico massimo applicato.
- Esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturato.
2. Test di tensione del fascio
- Costruisci una trave di cemento con una sezione trasversale di 4 pollici x 4 pollici e 36 pollici di lunghezza.
- Installare un apparecchio di prova di flessione a 4 punti nella macchina di prova.
- Sollevare con attenzione la trave e installarla nella configurazione di prova.
- Accendere la macchina di prova e attivare il software per leggere il carico e le deformazioni.
- Stimare il carico massimo che il campione può assumere assumendo che la resistenza alla trazione sia di 7,5√f'c e applicare il carico di compressione lentamente (a circa 100 psi a 200 psi al minuto) e continuamente fino a quando il campione non si guasta.
- Registrare il carico massimo applicato.
- Esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturato.
3. Test della trave rinforzata
- Costruire una trave in calcestruzzo, rinforzata con due barre di #3 (3/8 di diametro) situate a circa 0,5 pollici dal basso. Le barre hanno ganci alle estremità per evitare un guasto di estraibile della barra. Il raggio è di 4 pollici x 4 pollici in sezione trasversale con una lunghezza non supportata di 36 pollici.
- Installare un apparecchio di prova di flessione a 4 punti nella macchina di prova.
- Sollevare con attenzione la trave e installarla nella configurazione di prova.
- Accendere la macchina di prova e attivare il software per leggere il carico e le deformazioni.
- Stimare il carico massimo che il campione può assumere assumendo che la resistenza alla trazione sia di 7,5√f'c e applicare il carico di compressione lentamente (a circa 100 psi a 200 psi al minuto) e continuamente fino a quando il campione non si guasta.
- Registrare il carico applicato e le deformazioni man mano che il test procede.
Il cemento armato ha una resistenza maggiore rispetto al calcestruzzo non armato perché l'acciaio nella sezione rinforzata può essere utilizzato per trasportare grandi forze di trazione, come sarà dimostrato in questo test di laboratorio.
Il calcestruzzo può sopportare sollecitazioni molto grandi sotto forze di compressione uniassiali. Tuttavia, i guasti osservati non sono di natura compressiva, ma guasti lungo piani di taglio in cui si verificano forze di trazione massime. Questo tipo improvviso di cedimento è inaccettabile nelle applicazioni strutturali e la maggior parte del calcestruzzo è rinforzato con acciaio per aumentarne la resistenza e la duttilità.
Nelle applicazioni pratiche, le barre vengono aggiunte in un modello di gabbia in acciaio per attraversare potenziali piani di rottura della trazione. Il rinforzo in acciaio serve a limitare la formazione di fessure e larghezze di fessurazioni, aumentando la vita della struttura. I sali antighiaccio e altre sostanze chimiche impediscono di penetrare e corrodere l'acciaio di rinforzo. La rigidità degli elementi strutturali viene mantenuta e le deflessioni a lungo termine vengono ridotte e l'aspetto estetico delle strutture in calcestruzzo viene migliorato.
In questo video, condurremo test per determinare la resistenza alla trazione del calcestruzzo e confrontare il cemento armato con il calcestruzzo non armato.
Nel calcestruzzo, uno strato molto sottile e debole tra la malta e l'aggregato, chiamato zona di transizione interfacciale, si traduce in una resistenza alla trazione molto bassa. Poiché la progettazione di calcestruzzi comuni è guidata dalla necessità di massimizzare il contenuto aggregato e ridurre al minimo il volume della malta, la spaziatura delle particelle è molto piccola, con fino al 40% del volume della malta costituito dal materiale ITZ più debole. Il rapporto locale, più grande, acqua-cemento durante la miscelazione e l'indurimento nell'area interfase, si traduce in una struttura cristallina più debole nell'ITZ. Questa condizione, unita alle concentrazioni di stress intorno alle particelle aggregate irregolari, porta alla crescita preferenziale delle fessure in quest'area.
Per testare le proprietà di trazione del calcestruzzo, viene spesso utilizzato un metodo noto come test del cilindro diviso. Viene applicata una forza di compressione risultante in una tensione di trazione orizzontale uniforme, in posizioni lontane dal carico applicato.
Una correlazione è tipicamente vista tra le forze di trazione e compressione, anche se i coefficienti tipici di variazione per queste relazioni sono elevati. Un altro metodo utilizzato è una configurazione di test di piegatura a quattro punti. In questo test, la fibra superiore è in compressione e quella inferiore, in tensione. Quando la resistenza alla trazione viene raggiunta sul fondo, si forma una fessura che causa un guasto immediato.
Una correlazione simile di resistenze alla trazione e alla compressione è vista per questo test. Il test del fascio si traduce in previsioni di capacità di trazione, generalmente dal 30 al 50% più grande del test di tensione divisa. Ma poiché la fessurazione in molti elementi in calcestruzzo è dovuta alla flessione, i valori dei test del fascio sono tipicamente utilizzati nella progettazione. Per confrontare il cemento armato non rinforzato, le barre di acciaio vengono posizionate sul lato inferiore della trazione di una trave e quindi testate.
Nella prossima sezione, misureremo la resistenza alla trazione del calcestruzzo non armato utilizzando il test di tensione divisa e confronteremo la resistenza alla trazione del calcestruzzo non armato e armato, utilizzando il test di tensione della trave.
Per questi test, utilizzare i cilindri campione che sono stati preparati nel nostro video che discute di calcestruzzo fresco. Utilizzare una sottile striscia di legno di balsa e una barra di acciaio rigida per aiutare a distribuire uniformemente i carichi dalle teste di carico cilindriche nella macchina di prova di compressione. Disegnate una linea lungo il diametro su ciascuna estremità del campione, bicottando il cilindro. Quindi, centrare una striscia di legno e una barra di acciaio rigida lungo il centro del blocco di cuscinetti inferiore della macchina di prova.
Ora, posiziona il cilindro sulla striscia e allinealo in modo che le linee segnate alle estremità del campione siano verticali e centrate sulla striscia. Quindi, posizionare la seconda striscia di legno e la barra di acciaio longitudinalmente sopra il cilindro. Quindi, abbassare la testa di carico superiore della macchina di prova fino a quando l'assieme non è fissato nella macchina.
Applicare il carico di compressione lentamente e continuamente fino a quando il campione non si guasta in tensione divisa. Infine, registrare il carico massimo applicato. Esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturato. Ripeti questo processo per il secondo cilindro per avere un'idea della variazione.
Costruisci due travi in calcestruzzo, una senza rinforzo e una rinforzata con 2 barre numero tre situate a circa 0,5 pollici dal fondo. Le barre hanno ganci alle estremità per evitare un guasto di estraibile della barra. Entrambe le travi sono 4 pollici per 4 pollici in sezione trasversale con 16 pollici di lunghezza non supportata.
Sollevare con attenzione la trave di cemento e installarla nella configurazione. Quindi installare un apparecchio di prova di flessione a quattro punti nella macchina di prova come mostrato. Il test è chiamato test di flessione a quattro punti perché abbiamo due supporti alle estremità e due punti di carico al terzo punto.
Accendere la macchina di prova e attivare il software per leggere il carico e le deformazioni. Quindi, applicare il carico di compressione lentamente e continuamente fino a quando il campione non si guasta. Registrare il carico massimo applicato. Infine, esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturato.
Ripetere lo stesso protocollo per la trave in cemento armato. In questo caso, il rinforzo in acciaio nella parte inferiore o sul lato di trazione della trave, previene improvvisi guasti fragili. Quando il calcestruzzo inizia a incrinarsi, l'acciaio inizierà a prendere le forze di trazione. Questa tecnica funziona finché le barre di acciaio, che hanno deformazioni superficiali per aiutarle a trasferire le forze dal calcestruzzo, sono correttamente ancorate.
Calcolare la resistenza alla trazione per il carico massimo di compressione raggiunto durante la prova di trazione frazionata. Per questi test, la media era di 388 psi con una deviazione standard di 22,2 psi.
Calcolare la resistenza alla trazione per il carico massimo di compressione raggiunto durante la prova di trazione della trave. Per questi test, la media era di 522,9 psi. Possiamo confrontare le travi in cemento armato non rinforzate osservando le loro curve di deflessione del carico.
Inizialmente, entrambe le travi hanno seguito un percorso simile con lievi differenze nella rigidità iniziale, probabilmente a causa di cambiamenti nelle condizioni di supporto. La trave non rinforzata è fallita non appena si è verificata una fessurazione iniziale con un carico di circa 450 libbre, un carico vicino alla resistenza alla trazione prevista. La trave rinforzata si incrinava a un carico più elevato, ma riacquistava rapidamente la sua forza, anche se con una rigidità complessiva inferiore. Il carico continua ad aumentare fino a quando l'acciaio inizia a cedere, dopodiché la curva inizia ad appiattirsi. Poiché l'acciaio è molto duttile e si indurisce a deformazione, il guasto si verifica a grandi deformazioni.
Un confronto tra le due curve mostra la drammatica differenza di prestazioni. La differenza di resistenza è molto grande, ma va notato che questo è legato all'area di acciaio utilizzata.
Ora che apprezzi la necessità di rinforzi in acciaio nel calcestruzzo, diamo un'occhiata a un paio di applicazioni comuni. L'utilizzo di un solo acciaio da uno a 1 a 1,5% sull'area della sezione trasversale in calcestruzzo può rendere le strutture in calcestruzzo economiche, sicure e offrono una buona manutenzione. Molti stadi di calcio, come il Soldier Field di Chicago, devono le loro forme uniche al cemento armato.
Frank Lloyd Wright ha portato il cemento armato nel mondo dell'architettura moderna. Facendo uso della sua capacità di mantenere la sua integrità a svolgimento non supportato, Wright usò il materiale in alcune delle sue più grandi opere, tra cui Fallingwater in Pennsylvania.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai test di compressione sul calcestruzzo indurito in tensione. Ora dovresti capire la natura fragile dei cedimenti a trazione nel calcestruzzo e conoscere i test di laboratorio standard per determinare la resistenza del calcestruzzo non armato e armato sotto tensione.
Grazie per l'attenzione!
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Results
La resistenza alla trazione per il carico massimo di compressione raggiunto durante la prova di trazione frazionata è data dalla seguente formula:
ft = 2Pmax/ (πDL)
dove D è il diametro (pollici), L è la lunghezza (pollici) e Pmax è il carico massimo di compressione (lb.) raggiunto durante la prova di trazione. Per questi test, la media era di 388 psi con una deviazione standard di 22,2 psi (Tabella 1).
| Test # |
 (psi) |
P (libbre) |
 (psi) |
 |
| 1 | 4780 | 18456 | 367.17 | 5.31 |
| 2 | 4780 | 20678 | 411.38 | 5.95 |
| 3 | 4780 | 19385 | 385.65 | 5.58 |
| Media = | 388.07 | 5.61 | ||
| San Dev. | 22.20 | 0.32 |
Tabella 1. Risultati della prova di trazione fraziona.
La resistenza alla trazione per il carico massimo di compressione raggiunto durante la prova di trazione della trave è data dalla seguente formula:
ft = PmaxL/ (bd2)
dove d è la profondità (pollici), b è la larghezza, L è la lunghezza (pollici) e Pmax è il carico massimo di compressione (lb.) raggiunto durante la prova di trazione. Questa formula è valida per il caso in cui i carichi siano applicati nei punti terzi. Per questi test, la media era di 522,9 psi (Tabella 2).
| Test # |
(psi) |
P (libbre) |
(psi) |
|
| 1 | 4780 | 2675 | 501.6 | 7.3 |
| 2 | 4780 | 2903 | 544.3 | 7.9 |
| Media = | 522.9 | 7.6 | ||
| San Dev. | 30.23 | 0.44 |
Tabella 2. Risultati per la prova di trazione del fascio.
La curva di deflessione del carico per le travi in cemento armato non rinforzate e rinforzate è mostrata in Fig. 1. Il raggio non rinforzato probabilmente ha seguito lo stesso percorso di carico inizialmente, ma ha fallito non appena si è verificato il cracking iniziale. Quello rinforzato mostra una leggera discontinuità quando si è verificata la fessurazione iniziale e una rigidità leggermente inferiore mentre inizia a riprendere il carico nella sua condizione di fessurazione. Il carico continua ad aumentare fino a quando il calcestruzzo inizia a cedere, quando la curva inizia ad appiattirsi. Tuttavia, poiché l'acciaio è molto duttile e si indurisce, il carico continuerà ad aumentare leggermente e il cedimento si verificherà a deformazioni molto grandi quando il calcestruzzo in cima si schiaccia.
Figura 1: Confronto delle curve di deflessione del carico per travi in calcestruzzo non rinforzato (blu) e rinforzato (rosso) a (a) piccoli carichi e (b) grandi carichi (curve piene).
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Applications and Summary
La prova ha dimostrato la natura fragile dei cedimenti a trazione nel calcestruzzo e ha dimostrato che la resistenza alla trazione è solo una frazione (da 1/8 a 1/12) di quella della resistenza alla compressione. Cedimenti fragili di questo tipo potrebbero avere conseguenze catastrofiche per la sicurezza umana, e quindi tutte le strutture in calcestruzzo devono essere rinforzate con barre di acciaio (o simili) per assumere forze di trazione. Un confronto della curva di deformazione del carico per le travi non rinforzate e rinforzate indica non solo che queste ultime possiedono una maggiore resistenza, ma anche una grande capacità di deformazione.
La chiave per la sicurezza e le prestazioni a lungo termine delle strutture in calcestruzzo è fornire rinforzi in acciaio in aree ad alta trazione e sollecitazioni di taglio. In generale, la quantità di acciaio necessaria per raggiungere questo obiettivo è piccola, nell'ordine dell'1% -1,5% dell'area della sezione trasversale del calcestruzzo. Questa piccola quantità significa che le strutture in calcestruzzo possono essere economiche, sicure e fornire una buona manutenzione. Inoltre, la capacità di gettare calcestruzzo in qualsiasi forma desiderata offre all'architetto un grande margine di manovra nello sviluppo di strutture esteticamente gradevoli.
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