Compression behaviour of BFRP bars

• Autorzy: Urbański Marek , Protchenko Kostiantyn

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.141884

Warianty tytułu

PL

Właściwości ściskanych prętów BFRP

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The durability of building structures reinforced by steel is one of the main concerns in civil engineering. Currently, research in the field is focused on the possibility of replacing steel with relatively corrosion-resistant reinforcement, such as BFRP (Basalt Fiber Reinforced Polymers) bars. The behaviour of BFRP bars during compression has not yet been determined. The experimental results pertaining to BFRP bars subjected to compression were presented and discussed in the paper. The research program involved the preparation of 45 BFRP samples with varying unbraced length and nominal diameter of 8 mm that were subjected to compression. For samples with the unbraced length of up to 85 mm, the destruction was caused by crushing. The bars with the unbraced length greater than 120 mm were destroyed as a result of global buckling of the bar and subsequent fiber kinking. Based on the relationship between the buckling load strength - unbraced length, the optimal unbraced length of BFRP bar was determined, for which buckling load strength reaches its maximum value. The buckling load strength decreased, as the unbraced length increased. The values of modulus of elasticity under compression for variable unbraced lengths were slightly different for the samples, and were similar to the modulus of elasticity obtained at the tensile testing. The relationship between the buckling load strength and the unbraced length of BFRP bars was determined. This may contribute to the optimization of the transverse reinforcement spacing in compressed elements and to the development of standard provisions in the area of elements reinforced with FRP bars being subjected to compression.

PL

Obecnie niezwykle dynamicznie rozwija się zastosowanie materiałów kompozytowych o wysokich parametrach użytkowych takich jak pręty BFRP (Basalt Fiber Reinforced Polymers) jako zamiennika tradycyjnego zbrojenia stalowego w budownictwie. W artykule przedstawiono ocenę wytrzymałości na obciążenie wyboczeniowe prętów BFRP, co umożliwia ich wykorzystanie, jako zbrojenia w betonowych elementach ściskanych (słupy) oraz w strefie ściskanej elementów zginanych (np. belki i płyty). W porównaniu ze zbrojeniem stalowym, pręty BFRP mają kilka istotnych zalet. Są to między innymi mały ciężar, wysoka wytrzymałość na rozciąganie, odporność na korozję, przezroczystość na pola magnetyczne. Natomiast w porównaniu do najbardziej rozpowszechnionych prętów GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymers) wykazują zdecydowanie większą odporność na alkalia i kwasy. Włókna bazaltowe nie reagują toksycznie z powietrzem, wodą ani innymi chemikaliami, które mogą być niebezpieczne dla ludzi lub mogą zanieczyścić środowisko. Ponadto włókna bazaltowe nie są rakotwórcze. W trakcie recyklingu włókna przekształcają się w czarny proszek, który można łatwo usunąć z komory spalania i można go wykorzystać jako wypełniacz do różnych zastosowań. Przeprowadzono jakościową i półilościową analizę składu pierwiastkowego przy użyciu spektrometru dyspersji energii wtórnego promieniowania X (EDS) które dostarczyły istotne informacje dotyczące składu prętów BFRP. We włóknach bazaltowych stwierdzono, obecność dominujących związków SiO2 i Al2O3, które występują także we włóknach szklanych. Ponadto odnotowano obecność związków żelaza Fe2O3 i FeO mających wpływ na fizyko-mechaniczne właściwości włókien bazaltowych, takich jak gęstość (2,73 g/cm3 dla włókien bazaltowych, w porównaniu do 2,54 g/cm3 dla włókien szklanych typu E), kolor (od brązowego do matowo zielonego, w zależności od zawartości FeO), a także mniejsze przewodnictwo cieplne i lepsza stabilność temperaturowa w porównaniu z włóknami szklanymi. Ustalono w badaniu metodą BSE konfigurację oraz niewielki rozrzut w średnicach włókien bazaltowych wchodzących w skład pręta BFRP. Zachowanie prętów BFRP podczas ściskania dotychczas nie zostało określone. W programie badawczym zbadano 45 próbek BFRP o nominalnej średnicy 8 mm ze względu na ściskanie o zróżnicowanej długości niezakotwionej. Dla próbek o długości niezakotwionej do 85 mm zniszczenie następowało przez zgniatanie. Pręty o długości niezakotwionej większej od 120 mm ulegały zniszczeniu w wyniku globalnego wyboczenia pręta a następnie pękania włókien. Na podstawie zależności wytrzymałość na obciążenie wyboczeniowe - niezakotwiona długość pręta ustalono optymalną długość niezakotwioną pręta BFRP, dla której wytrzymałość na obciążenie wyboczeniowe osiąga największą wartość. Wraz ze wzrostem długości niezakotwionej wytrzymałość na obciążenie wyboczeniowe ulegała zmniejszeniu. Moduł sprężystości przy ściskaniu dla zmiennych długości niezakotwionych próbek nieznacznie się różnił, a jego wartość zbliżona była do modułu sprężystości przy rozciąganiu. Określono zależność między wytrzymałością na obciążenie wyboczeniowe a długością niezakotwioną prętów BFRP, co przyczyni się do optymalizacji rozstawu zbrojenia poprzecznego w elementach ściskanych oraz do opracowania przepisów normowych w obszarze elementów ze zbrojeniem ściskanym.

Słowa kluczowe

EN

reinforcement bar; basalt fiber reinforced polymer; buckling; compression; crushing; scanning electron microscopy; SEM analysis; BFRP

PL

pręt zbrojeniowy; polimer wzmocniony włóknami bazaltowymi; ściskanie; wyboczenie; zgniatanie; mikroskopia skaningowa elektronowa; analiza SEM; BFRP

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 3
• Strony: 257--271
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Urbański Marek

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3568-6888

autor

Protchenko Kostiantyn

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1357-2174

Bibliografia

• [1] M. Aslam, P. Shafigh, M.Z. Jumaat, S.N.R. Shah, “Strengthening of RC Beams Using Prestressed Fiber Reinforced Polymers - A Review”, Construction and Building Materials, 2015, vol. 82, pp. 235-256, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.02.051.
• [2] S.S. Zhang, T. Yu, G.M. Chen, “Reinforced Concrete Beams Strengthened in Flexure with Near-Surface Mounted (NSM) CFRP Strips: Current Status and Research Needs”, Composites Part B: Engineering, 2017, vol. 131, pp. 30-42, DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.07.072.
• [3] K. Protchenko, E.D. Szmigiera, M. Urbański, A. Garbacz, “Development of Innovative HFRP Bars”, MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 196, pp. 1-6, DOI: 10.1051/matecconf/201819604087.
• [4] N. Ţăranu, G. Oprişan, D. Isopescu, I. Enţuc, V. Munteanu, C. Banu, “Fibre Reinforced Polymer Composites as Internal and External Reinforcements for Building Elements”, Buletinul Institutului Politehnic Din Iasi, 2008, vol. 54, no. 1, pp. 7-20.
• [5] R. Kotynia, FRP Composites for Flexural Strengthening of Concrete Structures Theory, Testing, Design. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2019.
• [6] K. Protchenko, M. Włodarczyk, E.D. Szmigiera, “Investigation of Behavior of Reinforced Concrete Elements Strengthened with FRP”, Procedia Engineering, 2015, vol. 111, pp. 679-686, DOI: 10.1016/j.proeng.2015.07.132.
• [7] A. Garbacz, E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, “On Mechanical Characteristics of HFRP Bars with Various Types of Hybridization”, in M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb, M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb (Eds.), International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018): Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure. Washington: Springer, 2018, pp. 653-658, DOI: 10.1007/978-3-319-78175-4_83.
• [8] R.V. Balendran, T.M. Rana, T. Maqsood, W.C. Tang, “Application of FRP Bars as Reinforcement in Civil Engineering Structures”, Structural Survey, 2002, vol. 20, no. 2, pp. 62-72, DOI: 10.1108/02630800210433837.
• [9] L.C. Hollaway, Polymer Composites for Civil and Structural Engineering. Blackie Academic and Professional Glasgow, 1993, pp. 12-62.
• [10] K. Protchenko, J. Dobosz, M. Urbański, A. Garbacz, “Wpływ Substytucji Włókien Bazaltowych przez Włókna Węglowe na Właściwości Mechaniczne Prętów B/CFRP (HFRP)”, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, JCEEA, 2016, vol. 63, no. 1/1, pp. 149-156.
• [11] Eurocode 2: Design of Concrete Structures - Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings. 2008.
• [12] ACI 318-19 Building Code Requirements for Structural Concrete. Detroit, Michigan: ACI Committee 318, 2019.
• [13] ACI 440.1R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. American Concrete Institute: Detroit, Michigan, 2006.
• [14] ACI 440.1R-15 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. American Concrete Institute: Detroit, Michigan, 2015.
• [15] CNR-DT 203 Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fiber Reinforced Polymer Bar. Rome, Italy: National Research Council, 2006.
• [16] Canadian Standards Association CAN/CSA S806-12 Design and Construction of Building Components with Fiber Reinforced Polymers. Toronto: Rexdale, 2012.
• [17] M. Urbański, A. Łapko, A. Garbacz, ”Investigation on Concrete Beams Reinforced with Basalt Rebars as an Effective Alternative of Conventional R/C Structures”, Procedia Engineering, 2013, vol. 57, pp. 1183-1191, DOI: 10.1016/j.proeng.2013.04.149.
• [18] J. Sim, C. Park, D. Moon, “Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures”, Composites Part B- Engineering, 2005, vol. 36, no. 6-7, pp. 504-512, DOI: 10.1016/j.compositesb.2005.02.002.
• [19] H. Zhu, G. Wu, L. Zhang, J. Zhang, D. Hui, “Experimental Study on the Fire Resistance of RC Beams Strengthened with Near-Surface-Mounted High-Tg BFRP Bars”, Composites Part B: Engineering, 2014, vol. 60, pp. 680-687, DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.01.011.
• [20] “Kamenny Vek”. [Online]. Available: https://basfiber.com/products. [Accessed: 15.02.2020].
• [21] B.W. Rosen, “Mechanics of Composite Strengthening, Fiber Composite Materials”, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1965, vol. 37, pp. 37-75.
• [22] C.R. Schultheisz, A.M. Waas, “Compressive Failure of Composites, Part I: Testing and micromechanical theories”, Progress in Aerospace Sciences, 1996, vol. 32, no. 1, pp. 1-42, DOI: 10.1016/0376-0421(94)00002-3.
• [23] N.A. Fleck, B. Budiansky, “Compressive Failure of Fibre Composites Due to Microbuckling”, in: Inelastic Deformation of Composite Materials. International Union of Theoretical and Applied Mechanics, G.J. Dvorak, Ed. New York: Springer, 1991.
• [24] P.K. Mallick, Fiber Reinforced Composites, Materials, Manufacturing, and Design. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008.
• [25] J. Militky, V. Kovacic, “Ultimate Mechanical Properties of Basalt Filaments”, Textile Research Journal, 1996, vol. 66, no. 4, pp. 225-229, DOI: 10.1177/004051759606600407.
• [26] W. Mingchao, Z. Zuoguang, L. Yubin, L. Min, S. Zhijie, “Chemical Durability and Mechanical Properties of Alkali-Proof Basalt Fiber and its Reinforced Epoxy Composites”, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2008, vol. 27, no. 4, pp. 393-407, DOI: 10.1177/0731684407084119.
• [27] A. Garbacz, E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, “On Mechanical Characteristics of HFRP Bars with Various Types of Hybridization”, in International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018): Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure, M.M. Reda Taha, Eds. Washington: Springer, 2018, pp. 653-658, DOI: 10.1007/978-3-319-78175-4_83.
• [28] A. Garbacz, M. Urbański, A. Łapko, “BFRP Bars as an Alternative Reinforcement of Concrete Structures - Compatibility and Adhesion Issues”, Advanced Materials Research, 2015, vol. 1129, pp. 233-241, DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1129.233.
• [29] ACI440.3R-12. Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures. Farmington Hills, MI, USA: ACI, 2012.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).