نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

بررسی عددی کارایی روش منفصل‌سازی فولاد پیش‌تنیدگی برای کنترل آسیب انتهایی در تیرهای بتن پیش‌کشیده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی، بابل، ایران
چکیده
بتن پیش‌تنیده روشی کارامد برای ساخت اعضای خمشی در سازه‌‌های دارای بار بهره‌برداری قابل توجه محسوب می‌شود که می‌تواند به حالت پیش‌کشیده یا پس‌کشیده مورد استفاده قرار گیرد. در اعضای پیش‌کشیده، که برای کاربرد به‌صورت پیش‌ساخته بسیار مطلوب هستند، از قطعات مهار استفاده نشده و انتقال پیش‌تنیدگی بر تماس مستقیم بین فولاد پیش‌تنیدگی و بتن متکی می‌باشد. نسل نوین تیرهای پیش‌کشیده با جان لاغر و نیروی پیش‌تنیدگی بزرگ ساخته می‌شوند که موجب ایجاد ترک‌های متعدد در نواحی انتهایی این تیرها شده و دوام، بهره‌برداری، و مقاومت برشی آن‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. پژوهش حاضر به ارزیابی روش منفصل‌سازی فولاد پیش‌تنیدگی برای کنترل ترک‌های انتهایی در تیرهای پیش‌کشیده می‌پردازد. یک مدل غیرخطی در محیط اجزای محدود توسعه داده شده و در زمان انتقال پیش‌تنیدگی و تحت بارگذاری برشی در قیاس با نتایج آزمایشگاهی مورد صحت‌سنجی قرار گرفت. سپس رفتار سازه‌ای تیرهای پیش‌کشیده با انفصال تمامی فولاد در فواصل 250 تا 1000 میلیمتر و یا نیمی از فولاد در فواصل 250 تا 3000 میلیمتر مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که از بین بردن پیوستگی بین بتن و تمامی فولاد پیش‌تنیدگی تا فاصله 250 میلیمتری از انتهای تیر و یا نیمی از فولاد پیش‌تنیدگی تا 1000 میلیمتر از انتهای تیر باعث کنترل آسیب در نواحی انتهایی در زمان اعمال پیش‌تنیدگی می‌گردد. انفصال فولاد تا طول بیشتر، با وجود کاهش آسیب در زمان انتقال پیش‌تنیدگی، باعث آسیب جدی نواحی انتهایی حین بارگذاری برشی شده و با توجه به اندرکنش برش-پیوستگی، مستلزم کاربرد آرماتور عرضی بیشتر در ابتدای ناحیه پیوستگی خواهد بود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation of Strand Deboning as a Method for Controlling End-Region Damage in Pretensioned Concrete Girders

نویسندگان English

Fatemeh Ranjbar
Hossein Yousefpour
Javad Vaseghi َ Amiri
Faculty of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology
چکیده English

Prestressed concrete is an effective solution for construction of flexural members under significant service loads, which can be pretensioned or posttensioned. In pretensioned concrete members, the transfer of prestressing force relies on direct contact between the prestressing steel and concrete. Modern pretensioned concrete girders employ thin webs and high levels of prestress. The transfer of the large stresses from strands to concrete in such cross sections results in cracking at the ends of the girders and causes concerns about their durability and load-carrying capacity, specially under shear-critical loading. This paper presents a numerical evaluation of pretensioned beams, in which end-region cracking is mitigated by means of strand debonding. Nonlinear, models of prestressed girders are developed to simulate the conditions of the member at the time of transfer and under loading until failure. The model was validated using strains and load-displacement curves obtained from experimental studies on full-scale girders. The structural behavior of the pretensioned girders was investigated using the validated model for debonding of all strands in lengths between 250 and 1000 mm or half of the strands for lengths between 250 and 3000 mm. Results showed that debonding of all strands up to a length of 250 mm or half of strands for up to 1000 mm would control cracking in the end region areas without affecting the load-carrying capacity. Greater debonding lengths cause serious damage to the girder under shear-critical loading and necessitates additional transverse reinforcement at the beginning of the fully bonded zone.

کلیدواژه‌ها English

Prestressed Concrete
Pretensioning
Finite Element Analysis
Debonding
End-Region Cracking
[1]   M. Collins and D. Mitchell, Prestressed Concrete Structures. Response Publications, 1997.
[2]   A. Naaman, Prestressed Concrete Analysis and Design Fundamentals, Techno Press 3000. 2012.
[3]   P. Okumus and M. G. Oliva, “Evaluation of crack control methods for end zone cracking in prestressed concrete bridge girders,” PCI J., vol. 58, no. 2, pp. 91–105, 2013.
[4]   P. Okumus, R. P. Kristam, and M. Diaz Arancibia, “Sources of Crack Growth in Pretensioned Concrete-Bridge Girder Anchorage Zones after Detensioning,” J. Bridg. Eng., vol. 21, no. 10, pp. 1–10, 2016.
[5]   H. Yousefpour, H. Kim, R. Bonetti, R. Alirezaei Abyaneh, A. Katz, A. Longshaw, J. Salazar, T. Hrynyk, and O. Bayrak, “End-Region Behavior and Shear Strength of Pretensioned Concrete Girders Employing 0.7-in. Diameter Strands,” Report No. FHWA/TX-17/0-6831-1. University of Texas at Austin. Center for Transportation Research, 2018.
[6]   A. Katz, H. Yousefpour H, H. Kim, R. Alirezaei Abyaneh, J. Salazar, T. Hrynyk, and O. Bayrak, “Shear Performance of Pretensioned Concrete I-Girders Employing 0.7-in. (17.8-mm) Strands,” ACI Structural Journal, 114(5), pp 1273-1284, 2017.
[7]   D. B. Garber, J. M. Gallardo, D. J. Deschenes, and O. Bayrak, “Nontraditional Shear Failures in Bulb-T Prestressed Concrete Bridge Girders,” J. Bridg. Eng., vol. 21, no. 7, pp. 1–10, 2016.
[8]   C. G. Hovell, “Structural Performance of Texas U-Beams at Prestress Transfer and Under Shear-Critical Loads,” University of Texas at Austin. Center for Transportation Research, 2011.
[9]   D. P. Langefeld and O. Bayrak, “Anchorage-Controlled Shear Capacity of Prestressed Concrete Bridge Girders,” University of Texas at Austin. Center for Transportation Research, 2012.
[10]   Civil Engineering Organization, “Stress Control by Deflecting & Debonding Tendons in PSC Design.” https://engineeringcivil.org/articles/prestressed-concrete/stress-control-deflecting-debonding-tendons-prestressed-concrete-designtheoryapplication/.
[11]   P. Okumus, M. G. Oliva, and S. Becker, “Nonlinear finite element modeling of cracking at ends of pretensioned bridge girders,” Eng. Struct., vol. 40, pp. 267–275, 2012.
[12]   American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, U.S. Customary U.S. Units, 9th Edition. Washington, D.C., 2020.
[13]   O. Yapar, P. K. Basu, and N. Nordendale, “Accurate finite element modeling of pretensioned prestressed concrete beams,” Eng. Struct., vol. 101, pp. 163–178, 2015.
[14]   K. Van Meirvenne, “Nonlinear Analysis of the End Zones of Prestressed Concrete Girders,” PCI J., 2017.
[15]   K. Van Meirvenne, W. De Corte, V. Boel, and L. Taerwe, “New insights into the anchorage zones of precast Pretensioned concrete girders,” Key Eng. Mater., vol. 754 KEM, pp. 341–344, 2017.
[16]   K. Van Meirvenne, W. De Corte, V. Boel, and L. Taerwe, “Non-linear 3D finite element analysis of the anchorage zones of pretensioned concrete girders and experimental verification,” Eng. Struct., vol. 172, no. April, pp. 764–779, 2018.
[17]   J. Salazar, H. Yousefpour, R. Abyaneh, H. Kim, A. Katz, T. Hrynyk, and O. Bayrak, “End-Region Behavior of Pretensioned I-Girders Employing 0.7-in. (17.8-mm) Strands,” ACI Structural Journal, 115 (1), pp 91-114, 2018.
[18]   H. Le Minh, S. Khatir, M. Abdel Wahab, and T. Cuong-Le, “A concrete damage plasticity model for predicting the effects of compressive high-strength concrete under static and dynamic loads,” J. Build. Eng., vol. 44, no. March, p. 103239, 2021.
[19]   H. Cornelissen, D. Hordijk, and H. Reinhardt, “Experimental determination of crack softening characteristics of normal weight and lightweight,” Heron, vol. 31, no. 2, pp. 45–46, 1986.
[20]   Dassault Systems, “Abaqus theory guide. Version 6.14,” USA Dassault Syst. Simulia Corp, 2018.
[21]   R. Eligehausen, E. P. Popov, and V.V. Bertero, “Local bond stress-slip relationships of deformed bars under generalized excitations,” Proceedings of the 7th European Conference on Earthquake Engineering. Vol. 4. Athens : Techn. Chamber of Greece, 1982.
[22]   Y. Gan, “Bond stress and slip modeling in nonlinear finite element analysis of reinforced concrete structures,” PhD thesis Univ. Toronto, 2000.
[23]   C. N. Dang, C. D. Murray, R. W. Floyd, W. Micah Hale, and J. R. Martí-Vargas, “Analysis of bond stress distribution for prestressing strand by Standard Test for Strand Bond,” Eng. Struct., vol. 72, no. August, pp. 152–159, 2014.
[24]   B. W. Russell and N. H. Burns., “Measurement of transfer lengths on pretensioned concrete elements,” J. Struct. Eng., vol. 123, no. 5, pp. 541–549, 1997.