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Se probaron cuatro elementos de tubo de acero de hormigón de caucho (RuCFST), un elemento de tubo de acero de hormigón (CFST) y un elemento vacío en condiciones puras de flexión.Los parámetros principales son la relación de corte (λ) de 3 a 5 y la relación de reemplazo de caucho (r) de 10% a 20%.Se obtienen una curva momento-deformación, una curva momento-deflexión y una curva momento-curvatura.Se analizó el modo de destrucción del hormigón con núcleo de caucho.Los resultados muestran que el tipo de falla de los miembros RuCFST es falla por flexión.Las grietas en el hormigón de caucho se distribuyen uniformemente y con moderación, y rellenar el núcleo de hormigón con caucho evita la aparición de grietas.La relación corte-envergadura tuvo poco efecto sobre el comportamiento de las probetas.La tasa de reemplazo del caucho tiene poco efecto sobre la capacidad de soportar un momento flector, pero tiene cierto efecto sobre la rigidez a la flexión de la muestra.Después del llenado con hormigón de caucho, en comparación con las muestras de un tubo de acero vacío, se mejora la capacidad de flexión y la rigidez a la flexión.
Debido a su buen comportamiento sísmico y su alta capacidad de carga, las estructuras tubulares de hormigón armado tradicionales (CFST) se utilizan ampliamente en la práctica de la ingeniería moderna1,2,3.Como nuevo tipo de hormigón de caucho, las partículas de caucho se utilizan para reemplazar parcialmente los agregados naturales.Las estructuras de tubos de acero rellenos de hormigón de caucho (RuCFST) se forman rellenando tubos de acero con hormigón de caucho para aumentar la ductilidad y la eficiencia energética de las estructuras compuestas4.No solo aprovecha el excelente desempeño de los miembros del CFST, sino que también hace un uso eficiente de los desechos de caucho, lo que satisface las necesidades de desarrollo de una economía circular verde5,6.
En los últimos años, se ha estudiado intensamente el comportamiento de los miembros CFST tradicionales bajo carga axial7,8, interacción carga axial-momento9,10,11 y flexión pura12,13,14.Los resultados muestran que la capacidad de flexión, rigidez, ductilidad y capacidad de disipación de energía de las columnas y vigas CFST mejoran mediante el relleno interno de hormigón y muestran una buena ductilidad a la fractura.
Actualmente, algunos investigadores han estudiado el comportamiento y rendimiento de columnas RuCFST bajo cargas axiales combinadas.Liu y Liang15 realizaron varios experimentos en columnas RuCFST cortas y, en comparación con las columnas CFST, la capacidad de carga y la rigidez disminuyeron al aumentar el grado de sustitución del caucho y el tamaño de las partículas de caucho, mientras que la ductilidad aumentó.Duarte4,16 probó varias columnas RuCFST cortas y demostró que las columnas RuCFST eran más dúctiles a medida que aumentaba el contenido de caucho.Liang17 y Gao18 también informaron resultados similares sobre las propiedades de los tapones RuCFST de paredes lisas y delgadas.Gu et al.19 y Jiang et al.20 estudiaron la capacidad de carga de elementos RuCFST a alta temperatura.Los resultados mostraron que la adición de caucho aumentó la ductilidad de la estructura.A medida que aumenta la temperatura, la capacidad de carga inicialmente disminuye ligeramente.Patel21 analizó el comportamiento a compresión y flexión de vigas y columnas CFST cortas con extremos redondos bajo cargas axiales y uniaxiales.El modelado computacional y el análisis paramétrico demuestran que las estrategias de simulación basadas en fibra pueden examinar con precisión el rendimiento de RCFST cortos.La flexibilidad aumenta con la relación de aspecto, la resistencia del acero y el hormigón, y disminuye con la relación profundidad-espesor.En general, las columnas RuCFST cortas se comportan de manera similar a las columnas CFST y son más dúctiles que las columnas CFST.
De la revisión anterior se puede ver que las columnas RuCFST mejoran después del uso adecuado de aditivos de caucho en el hormigón base de las columnas CFST.Como no hay carga axial, la flexión neta ocurre en un extremo de la viga de la columna.De hecho, las características de flexión de RuCFST son independientes de las características de carga axial22.En la ingeniería práctica, las estructuras RuCFST a menudo están sujetas a cargas de momento de flexión.El estudio de sus propiedades de flexión pura ayuda a determinar los modos de deformación y falla de los elementos RuCFST bajo acción sísmica23.Para estructuras RuCFST, es necesario estudiar las propiedades de flexión pura de los elementos RuCFST.
En este sentido, se probaron seis muestras para estudiar las propiedades mecánicas de elementos de tubos cuadrados de acero puramente curvados.El resto de este artículo se organiza como sigue.En primer lugar se ensayaron seis probetas de sección cuadrada con o sin relleno de caucho.Observe el modo de falla de cada muestra para obtener los resultados de la prueba.En segundo lugar, se analizó el rendimiento de los elementos RuCFST en flexión pura y se discutió el efecto de una relación corte-envergadura de 3-5 y una relación de reemplazo de caucho de 10-20% sobre las propiedades estructurales de RuCFST.Finalmente, se comparan las diferencias en capacidad de carga y rigidez a la flexión entre los elementos RuCFST y los elementos CFST tradicionales.
Se completaron seis muestras CFST, cuatro llenas de hormigón engomado, una llena de hormigón normal y la sexta estaba vacía.Se discuten los efectos de la tasa de cambio del caucho (r) y la relación de corte del tramo (λ).Los principales parámetros de la muestra se dan en la Tabla 1. La letra t denota el espesor de la tubería, B es la longitud del lado de la muestra, L es la altura de la muestra, Mue es la capacidad de flexión medida, Kie es la inicial rigidez a la flexión, Kse es la rigidez a la flexión en servicio.escena.
La muestra de RuCFST se fabricó a partir de cuatro placas de acero soldadas en pares para formar un tubo de acero cuadrado hueco, que luego se rellenó con hormigón.Se suelda una placa de acero de 10 mm de espesor a cada extremo de la muestra.Las propiedades mecánicas del acero se muestran en la Tabla 2. Según la norma china GB/T228-201024, la resistencia a la tracción (fu) y el límite elástico (fy) de una tubería de acero se determinan mediante un método de prueba de tracción estándar.Los resultados de la prueba son 260 MPa y 350 MPa respectivamente.El módulo de elasticidad (Es) es 176 GPa y la relación de Poisson (ν) del acero es 0,3.
Durante las pruebas, la resistencia a la compresión cúbica (fcu) del hormigón de referencia el día 28 se calculó en 40 MPa.Las relaciones 3, 4 y 5 se eligieron basándose en la referencia 25 anterior, ya que esto puede revelar cualquier problema con la transmisión de cambios.Dos tasas de reemplazo de caucho del 10% y 20% reemplazan la arena en la mezcla de concreto.En este estudio, se utilizó polvo de caucho para neumáticos convencional de la planta de cemento Tianyu (marca Tianyu en China).El tamaño de las partículas de caucho es de 1 a 2 mm.La Tabla 3 muestra la proporción de hormigón de caucho y mezclas.Para cada tipo de hormigón de caucho se moldearon y endurecieron tres cubos de 150 mm de lado en las condiciones de prueba prescritas por las normas.La arena utilizada en la mezcla es arena silícea y el agregado grueso es roca carbonatada en la ciudad de Shenyang, noreste de China.En la Tabla 3 se muestran la resistencia a la compresión cúbica (fcu), la resistencia a la compresión prismática (fc') y el módulo de elasticidad (Ec) de 28 días para varias relaciones de reemplazo de caucho (10% y 20%). Implemente el estándar GB50081-201926.
Todas las probetas se prueban con un cilindro hidráulico con una fuerza de 600 kN.Durante la carga se aplican simétricamente dos fuerzas concentradas sobre el banco de pruebas de flexión de cuatro puntos y luego se distribuyen sobre la muestra.La deformación se mide mediante cinco galgas extensométricas en cada superficie de la muestra.La desviación se observa utilizando tres sensores de desplazamiento que se muestran en las Figuras 1 y 2. 1 y 2.
La prueba utilizó un sistema de precarga.Cargue a una velocidad de 2 kN/s, luego haga una pausa con una carga de hasta 10 kN, verifique si la herramienta y la celda de carga están en condiciones normales de funcionamiento.Dentro de la banda elástica, cada incremento de carga se aplica a menos de una décima parte de la carga máxima prevista.Cuando la tubería de acero se desgasta, la carga aplicada es menos de una quinceava parte de la carga máxima prevista.Mantenga durante aproximadamente dos minutos después de aplicar cada nivel de carga durante la fase de carga.A medida que la muestra se acerca al fallo, la velocidad de carga continua se ralentiza.Cuando la carga axial alcanza menos del 50% de la carga última o se encuentra daño obvio en la muestra, se termina la carga.
La destrucción de todas las probetas mostró una buena ductilidad.No se encontraron grietas de tracción evidentes en la zona de tracción del tubo de acero de la pieza de prueba.Los tipos típicos de daños a las tuberías de acero se muestran en la fig.3. Tomando la muestra SB1 como ejemplo, en la etapa inicial de carga cuando el momento flector es inferior a 18 kN m, la muestra SB1 está en la etapa elástica sin deformación obvia y la tasa de aumento en el momento flector medido es mayor que la tasa de aumento de la curvatura.Posteriormente, el tubo de acero en la zona de tracción se deforma y pasa a la etapa elástico-plástica.Cuando el momento flector alcanza aproximadamente 26 kNm, la zona de compresión del acero de luz media comienza a expandirse.El edema se desarrolla gradualmente a medida que aumenta la carga.La curva carga-deflexión no disminuye hasta que la carga alcanza su punto máximo.
Una vez completado el experimento, se cortaron la muestra SB1 (RuCFST) y la muestra SB5 (CFST) para observar más claramente el modo de falla del concreto base, como se muestra en la Fig. 4. Se puede ver en la Figura 4 que las grietas en la muestra Los SB1 se distribuyen uniforme y escasamente en el hormigón base, y la distancia entre ellos es de 10 a 15 cm.La distancia entre grietas en la muestra SB5 es de 5 a 8 cm, las grietas son irregulares y obvias.Además, las grietas en la muestra SB5 se extienden aproximadamente 90° desde la zona de tensión hasta la zona de compresión y se desarrollan hasta aproximadamente 3/4 de la altura de la sección.Las principales grietas de hormigón en la muestra SB1 son más pequeñas y menos frecuentes que en la muestra SB5.Reemplazar la arena por caucho puede, hasta cierto punto, prevenir la aparición de grietas en el hormigón.
En la fig.5 muestra la distribución de la deflexión a lo largo de cada muestra.La línea continua es la curva de deflexión de la pieza de prueba y la línea de puntos es la media onda sinusoidal.De la fig.La Figura 5 muestra que la curva de deflexión de la varilla concuerda bien con la curva de media onda sinusoidal en la carga inicial.A medida que aumenta la carga, la curva de deflexión se desvía ligeramente de la curva de media onda sinusoidal.Como regla general, durante la carga, las curvas de deflexión de todas las muestras en cada punto de medición son una curva semisinusoidal simétrica.
Dado que la deflexión de los elementos RuCFST en flexión pura sigue una curva de media onda sinusoidal, la ecuación de flexión se puede expresar como:
Cuando la deformación máxima de la fibra es 0,01, considerando las condiciones reales de aplicación, el momento flector correspondiente se determina como la capacidad de momento flector último del elemento27.La capacidad de momento flector medida (Mue) así determinada se muestra en la Tabla 1. De acuerdo con la capacidad de momento flector medida (Mue) y la fórmula (3) para calcular la curvatura (φ), la curva M-φ en la Figura 6 puede ser trazado.Para M = 0.2Mue28, la rigidez inicial Kie se considera como la rigidez a flexión correspondiente.Cuando M = 0,6 Mue, la rigidez a la flexión (Kse) de la etapa de trabajo se ajustó a la rigidez a la flexión secante correspondiente.
Se puede ver en la curva de curvatura del momento flector que el momento flector y la curvatura aumentan significativamente de forma lineal en la etapa elástica.La tasa de crecimiento del momento flector es claramente mayor que la de la curvatura.Cuando el momento flector M es 0,2 Mue, la muestra alcanza la etapa de límite elástico.A medida que aumenta la carga, la muestra sufre deformación plástica y pasa a la etapa elastoplástica.Con un momento flector M igual a 0,7-0,8 Mue, el tubo de acero se deformará alternativamente en la zona de tensión y en la zona de compresión.Al mismo tiempo, la curva Mf de la muestra comienza a manifestarse como un punto de inflexión y crece de forma no lineal, lo que potencia el efecto combinado del tubo de acero y el núcleo de hormigón de caucho.Cuando M es igual a Mue, la muestra entra en la etapa de endurecimiento plástico, con la deflexión y curvatura de la muestra aumentando rápidamente, mientras que el momento flector aumenta lentamente.
En la fig.7 muestra curvas de momento flector (M) versus deformación (ε) para cada muestra.La parte superior de la sección media del tramo de la muestra está bajo compresión y la parte inferior está bajo tensión.Los extensímetros marcados "1" y "2" están ubicados en la parte superior de la pieza de prueba, los extensímetros marcados "3" están ubicados en el medio de la muestra y los extensímetros marcados "4" y "5".”se encuentran debajo de la muestra de prueba.La parte inferior de la muestra se muestra en la Fig. 2. En la Fig. 7 se puede ver que en la etapa inicial de carga, las deformaciones longitudinales en la zona de tensión y en la zona de compresión del elemento son muy cercanas, y la las deformaciones son aproximadamente lineales.En la parte media, hay un ligero aumento de la deformación longitudinal, pero la magnitud de este aumento es pequeña. Posteriormente, el hormigón de caucho en la zona de tensión se agrietó. Debido a que la tubería de acero en la zona de tensión solo necesita soportar la fuerza, y la El hormigón de caucho y la tubería de acero en la zona de compresión soportan la carga juntos, la deformación en la zona de tensión del elemento es mayor que la deformación en la A medida que aumenta la carga, las deformaciones exceden el límite elástico del acero y la tubería de acero entra la etapa elastoplástica. La tasa de aumento en la deformación de la muestra fue significativamente mayor que el momento de flexión, y la zona plástica comenzó a desarrollarse hasta la sección transversal completa.
Las curvas M-um para cada muestra se muestran en la Figura 8. En la fig.8, todas las curvas M-um siguen la misma tendencia que los miembros tradicionales del CFST22,27.En cada caso, las curvas M-um muestran una respuesta elástica en la fase inicial, seguida de un comportamiento inelástico con rigidez decreciente, hasta alcanzar gradualmente el momento flector máximo permisible.Sin embargo, debido a los diferentes parámetros de prueba, las curvas M-um son ligeramente diferentes.El momento de deflexión para relaciones de corte a tramo de 3 a 5 se muestra en la fig.8a.La capacidad de flexión permitida de la muestra SB2 (factor de corte λ = 4) es 6,57% menor que la de la muestra SB1 (λ = 5), y la capacidad de momento flector de la muestra SB3 (λ = 3) es mayor que la de la muestra SB2. (λ = 4) 3,76%.En términos generales, a medida que aumenta la relación corte-envergadura, la tendencia del cambio en el momento permisible no es obvia.La curva M-um no parece estar relacionada con la relación corte-luz.Esto es consistente con lo que Lu y Kennedy25 observaron para vigas CFST con relaciones de corte a luz que oscilan entre 1,03 y 5,05.Una posible razón para los miembros CFST es que a diferentes relaciones de corte de luz, el mecanismo de transmisión de fuerza entre el núcleo de concreto y los tubos de acero es casi el mismo, lo cual no es tan obvio como para los miembros de concreto reforzado25.
De la fig.8b muestra que la capacidad de carga de las muestras SB4 (r = 10%) y SB1 (r = 20%) es ligeramente mayor o menor que la de la muestra tradicional CFST SB5 (r = 0), y aumentó en un 3,15 por ciento y disminuyó en 1,57 por ciento.Sin embargo, la rigidez inicial a la flexión (Kie) de las muestras SB4 y SB1 es significativamente mayor que la de la muestra SB5, que son 19,03% y 18,11%, respectivamente.La rigidez a la flexión (Kse) de las muestras SB4 y SB1 en la fase operativa es un 8,16% y un 7,53% mayor que la de la muestra SB5, respectivamente.Muestran que la tasa de sustitución del caucho tiene poco efecto sobre la capacidad de flexión, pero tiene un gran efecto sobre la rigidez a la flexión de las muestras de RuCFST.Esto puede deberse al hecho de que la plasticidad del hormigón de caucho en muestras RuCFST es mayor que la plasticidad del hormigón natural en muestras CFST convencionales.En general, las fisuras y fisuras en el hormigón natural comienzan a propagarse antes que en el hormigón engomado29.Desde el modo de falla típico del concreto base (Fig. 4), las grietas de la muestra SB5 (concreto natural) son más grandes y más densas que las de la muestra SB1 (concreto de caucho).Esto puede contribuir a la mayor restricción proporcionada por las tuberías de acero para la muestra de Concreto Armado SB1 en comparación con la muestra de Concreto Natural SB5.El estudio Durate16 también llegó a conclusiones similares.
De la fig.8c muestra que el elemento RuCFST tiene mejor capacidad de flexión y ductilidad que el elemento de tubería de acero hueco.La resistencia a la flexión de la muestra SB1 de RuCFST (r=20%) es 68,90% mayor que la de la muestra SB6 de tubería de acero vacía, y la rigidez a la flexión inicial (Kie) y la rigidez a la flexión en la etapa de operación (Kse) de la muestra SB1 son 40,52% respectivamente., que es más alto que el de la muestra SB6, fue un 16,88% más alto.La acción combinada del tubo de acero y el núcleo de hormigón engomado aumenta la capacidad de flexión y la rigidez del elemento compuesto.Los elementos RuCFST exhiben muestras de buena ductilidad cuando se someten a cargas de flexión pura.
Los momentos flectores resultantes se compararon con los momentos flectores especificados en las normas de diseño actuales, como las normas japonesas AIJ (2008) 30, las normas británicas BS5400 (2005) 31, las normas europeas EC4 (2005) 32 y las normas chinas GB50936 (2014) 33. (Muc) al momento flector experimental (Mue) se da en la Tabla 4 y se presenta en la fig.9. Los valores calculados de AIJ (2008), BS5400 (2005) y GB50936 (2014) son 19%, 13,2% y 19,4% más bajos que los valores experimentales promedio, respectivamente.El momento flector calculado por EC4 (2005) está un 7% por debajo del valor medio de ensayo, que es el más cercano.
Se investigan experimentalmente las propiedades mecánicas de los elementos RuCFST bajo flexión pura.Con base en la investigación, se pueden sacar las siguientes conclusiones.
Los miembros evaluados de RuCFST exhibieron un comportamiento similar a los patrones tradicionales de CFST.Con la excepción de las muestras de tubos de acero vacíos, las muestras RuCFST y CFST tienen buena ductilidad debido al relleno de hormigón de caucho y hormigón.
La relación de corte a luz varió de 3 a 5 con poco efecto sobre el momento probado y la rigidez a la flexión.La tasa de reemplazo del caucho prácticamente no tiene efecto sobre la resistencia de la muestra al momento de flexión, pero tiene cierto efecto sobre la rigidez a la flexión de la muestra.La rigidez a la flexión inicial de la muestra SB1 con una relación de reemplazo de caucho del 10% es un 19,03% mayor que la de la muestra tradicional CFST SB5.El Eurocódigo EC4 (2005) permite una evaluación precisa de la capacidad de flexión última de los elementos RuCFST.La adición de caucho al hormigón base mejora la fragilidad del hormigón, dando a los elementos confucianos una buena tenacidad.
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Hora de publicación: 05-ene-2023