Badania numeryczne projektów wykładzin segmentowych RC, SFRC i hybrydowych
W celu zbadania właściwości betonowych konstrukcji okładzin tuneli w skali tunelu i porównania ich z konwencjonalnymi konstrukcjami żelbetowych okładzin tuneli, konstrukcje różnych żelbetowych okładzin tuneli analizowano oddzielnie przy użyciu szczegółowych modeli 2D, obejmujących warstwy zaczynu i poszczególne segmenty wykładziny tuneli. odpowiedź. W tym celu zdefiniowano referencyjny projekt tunelu (głębokość pokrywy 20 m, podsypka piaskowa, współczynnik parcia bocznego gruntu 0.5), w którym określono obciążenie obudowy metodą procesową- zorientowana symulacja tunelu (patrz szczegóły w rozdziale 6.4.1) (w stanie ustalonym). W analizie skupiono się na trwałości, wyrażonej maksymalnym otwarciem pęknięcia przekraczającym dopuszczalną szerokość 0,2 mm. Segmenty okładziny żelbetowej z minimalnym zbrojeniem (dodatkowe 10-10 C prętów stalowych w obszarach narażonych na duże obciążenia), segmenty okładziny z betonu zbrojonego włóknami stalowymi z konwencjonalnymi włóknami hakowymi o wytrzymałości 60 kg/m3 60 mm, oraz zbrojenie hybrydowe analizowano Segmenty okładzinowe (pasy betonu z włókna stalowego o długości 125 mm i nakładki górne z betonu z włókna stalowego o długości 200 mm). Całkowita masa stali segmentów okładzin SFRC i RC jest podobna (około 260 kg/segment), natomiast w segmencie wykładziny hybrydowej zużywa się o 65% mniej stali (92 kg/segment). Symulację przeprowadzono przy użyciu betonu klasy C40/50-o projektowej wytrzymałości na rozciąganie 2,5 N/mm2. W przypadku konstrukcji zawierających SFRC zakłada się, że włókna mają kierunkowość izotropową. W literaturze można znaleźć porównania różnych koncepcji bezpieczeństwa we włóknach i konwencjonalnych segmentach usztywnionych oraz nieliniową analizę elementów skończonych.
Pod typowymi obciążeniami w zwykłych betonowych okładzinach segmentowych nie powstają duże pęknięcia. Istnieją jednak dwa potencjalne tryby zniszczenia: w przekroju sklepienia zaobserwowano minimalną siłę normalną (1375 kN/m) i maksymalny moment zginający (329 kNm/m), co może prowadzić do pęknięć zginanych. Maksymalne naprężenie rozciągające występuje w pobliżu 78 stopni na złączu wzdłużnym pod wpływem siły normalnej 1943 kN/m i momentu zginającego 217 kNm/m. Może to skutkować złamaniem segmentowanych narożników. Na podstawie tych obserwacji utworzono dwa przypadki obciążeń do celów obliczeniowych. W przypadku projektowania sekcji sklepienia podlegającej zginaniu obciążenia modyfikuje się w taki sposób, że powstały moment zginający zwiększa się 1,5 razy, a siła normalna zmniejsza się 0,5 razy. W przypadku projektów wokół połączeń wzdłużnych, w których prawdopodobne jest wystąpienie zgniecenia, należy zwiększyć siłę normalną i moment zginający o współczynnik 1,5, aby zwiększyć przenoszenie naprężeń i utrzymać rotację złącza.
Przypadek obciążenia: Zginanie
Reakcja wszystkich projektów okładzin lub schematów zbrojenia na warunki obciążenia zginającego. Pokazano jedynie odpowiedź na zginanie segmentu sklepienia, ponieważ jest to obszar, w którym obserwuje się największe pęknięcia. Ponadto pokazana jest tylko szerokość pęknięcia. System okładzin nie uległ uszkodzeniu i nadal funkcjonował jako konstrukcja nośna. Dlatego jedynym czynnikiem ograniczającym wybór któregokolwiek z tych przypadków jest przewidywana szerokość pęknięcia, która nie może przekroczyć określonych wymagań projektowych dla stanu granicznego trwałości (około 0,2 mm).
Zgodnie z oczekiwaniami największe pęknięcia zginające wykazywał zwykły pierścień okładziny betonowej (PC), przy czym główne pęknięcia wystąpiły na wewnętrznej krawędzi szczytu obudowy tunelu, gdzie przewidywany jest maksymalny moment zginający. Warto zauważyć, że schemat PC wykazuje zachowanie wielu pęknięć (spowodowanych normalnymi siłami ściskającymi), a nie pojedyncze globalne pęknięcie prowadzące do zniszczenia segmentu. Segmenty żelbetowe wykazały podobną reakcję jak segmenty żelbetowe, z tą główną różnicą, że wzór pęknięć był bardziej regularny. Zamiast przewidywać rozmiary pęknięć, które mniej więcej odpowiadają momentowi zginającemu przyłożonemu w określonym punkcie, jak w segmentach PC, rozmiary pęknięć obserwowane w segmentach R są mniej więcej podobne, co wskazuje, że pręty stalowe będą skutecznie przemieszczać się zgodnie z reakcją na pęknięcie ograniczenia długości pręta. Przewidywana maksymalna szerokość pęknięcia w przekroju żelbetowym wynosi 0,158 mm, co mieści się w dopuszczalnym zakresie mniejszym niż 0,2 mm określonym w granicy użytkowalności. Na szczęście segmenty SFRC najskuteczniej zmniejszały szerokość pęknięć. Obie opcje zbrojenia powodują pęknięcia znacznie poniżej granicy wytrzymałości i dlatego są skutecznymi konstrukcjami zbrojenia. W przypadku hybrydowego schematu zbrojenia wytrzymałość SFRC na zginanie całego przekroju jest nieco lepsza (0,112 mm w porównaniu z 0,142 mm). Odpowiada to wzrostowi szerokości pęknięć o około 25%, podczas gdy całkowite zmniejszenie SFRC wynosi 75%.
Przypadek obciążenia: Odpryski na połączeniach wzdłużnych
Reakcję wszystkich projektów okładzin lub schematów zbrojenia na obciążenie odpryskowe pokazano na rysunku 5.28. Największe pęknięcie odpryskowe wystąpiło na złączu podłużnym 78 stopni od szczytu tunelu, mierząc w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara od wierzchołka pierścienia. Ogólnie przewidywane trendy w zakresie maksymalnej szerokości pęknięcia są podobne do tych dla wariantu zginania. Jednakże w przypadku odprysków SFRC okazał się skuteczniejszy w zmniejszaniu szerokości pęknięć.
Należy zauważyć, że minimalna odporność stali na pękanie przewidziana w projektowaniu żelbetu nie jest wystarczająca, aby zapobiec powstawaniu pęknięć przekraczających tolerancje. Oznacza to, że SFRC jest bardziej odpowiedni niż RC w zakresie przeciwdziałania pęknięciom odpryskowym. Skuteczność hybrydowych schematów zbrojenia można zwiększyć poprzez zastosowanie większych długości oczepów żelbetowych tam, gdzie sprawdzają się lepiej niż konwencjonalne konstrukcje żelbetowe i poniżej normalnych limitów użytkowania. Pęknięcia inicjują się na zewnątrz warstwy włókien stalowych, a wierzchołek warstwy włókien stalowych może jedynie ograniczyć dalszy rozwój pęknięcia. W celu oszacowania optymalnej długości czapeczki SFRC można zastosować algorytm optymalizacyjny.
