Numeryczna i doświadczalna analiza zginanych, skręcanych i ścinanych belek żelbetowych

W artykule zaprezentowano badania doświadczalne i analizy numeryczne belek żelbetowych zginanych, skręcanych i ścinanych. Przedmiotem analizy były belki wspornikowe wykonane w skali naturalnej o przekroju poprzecznym 30x30 cm. Zbrojenie w belkach ukształtowano na podstawie dwóch różnych modeli Strut and Tie (ST). Dla belki B1 model ST stanowiła kratownica przestrzenna, w której ściskane krzyżulce betonowe wydzielone rysami ukośnymi nachylone są do osi pręta pod kątem 45o. Pręty pionowe kratownicy to rozciągane zbrojenie w postaci strzemion. Pas górny i dolny kratownicy to odpowiednio zbrojenie rozciągane i ściskane pasy betonowe. W przypadku belki B2 model ST stanowiła również kratownica przestrzenna o ściskanych krzyżulcach betonowych nachylonych do osi pręta pod kątem 26,6o. Badania doświadczalne 6 belek przeprowadzono w hali laboratoryjnej Wydziału Budownictwa Inżynierii Środowiska i Architektury Politechniki Rzeszowskiej. W celu oceny nośności i zmian sztywności belek spowodowanych zginaniem, skręcaniem i ścinaniem analizowano zależności: przemieszczenie pionowe - siła obciążająca oraz sztywność przekroju na skręcanie. Symulacje numeryczne badanych belek wykonano w programie ATENA 3D- Studio. Do nieliniowej analizy belek żelbetowych wykorzystano trzy modele betonu tj. model betonu do analizy nieliniowej zaproponowany w Eurokodzie 2, model betonu o nazwie „cementitious”, zaproponowany w programie ATENA, bazujący na zaleceniach Model Code oraz zmodyfikowany przez użytkownika model betonu „cementitious 2”. Zaobserwowano dużą zgodność pomiędzy średnim obciążeniem granicznym uzyskanymi w symulacjach numerycznych a wynikami doświadczalnymi i obrazem zarysowania. W wyniku przeprowadzonych badań doświadczalnych i analiz numerycznych zaobserwowano wpływ przyjętego modelu ST na sztywność i nośność belek.

The paper presents experimental research and numerical simulations of reinforced concrete beams simultaneously exposed to torsional moment, a bending moment and a shear force. Cantilever concrete beams, made in a real scale with cross section 30x30 cm were analysed. Reinforcement in the beams was formed on the basis of two different STMs (Strut and Tie Models). For the beam B1, the ST model was a spatial truss, in which the concrete compression diagonal struts, separated by cracks were inclined to the axis of the chords at the angle of 45°. The vertical elements of the truss represent reinforcement in the form of stirrups. The top and bottom chords of the truss represent tension reinforcement and compressed elements. Analogously to the beam B2, 234 L. Buda-Ożóg the ST model was a spatial truss but in the third STM, the diagonal struts were inclined at the angle of 26.6o. Experimental tests of 6 reinforced concrete beams were performed in the laboratory of The Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture at Rzeszow University of Technology. In order to assess the load bearing capacity and changes in stiffness of the beams due to bending, torsion and shear, the dependencies: vertical displacement - loading and stiffness of the cross section under torsion were analysed. Numerical simulations of the investigated beams by means of the program ATENA 3D were made. Three models of concrete were used for nonlinear analysis of reinforced concrete beams: the nonlinear concrete model proposed in Eurocode 2, the concrete model “cementitious” proposed in the ATENA program and the concrete model “cementitious 2” with the modification by the user. Compatibility between the load bearing capacity obtained in numerical simulations and experimental results was observed. On the other hand, the results obtained from numerical analysis showed slightly different flexural stiffness and stiffness under torsion of the beams compared with the experimental results. On the basis of the experimental research and numerical simulations, a significant influence of ST models on the bearing capacity of the beams was demonstrated.