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Quatre éléments de tuyaux en acier et béton en caoutchouc (RuCFST), un élément de tuyau en acier en béton (CFST) et un élément vide ont été testés dans des conditions de flexion pure.Les principaux paramètres sont le taux de cisaillement (λ) de 3 à 5 et le taux de remplacement du caoutchouc (r) de 10 % à 20 %.Une courbe moment de flexion-déformation, une courbe moment de flexion-déformation et une courbe moment de flexion-courbure sont obtenues.Le mode de destruction du béton à âme en caoutchouc a été analysé.Les résultats montrent que le type de rupture des éléments du RuCFST est la rupture en flexion.Les fissures dans le béton de caoutchouc sont réparties uniformément et avec parcimonie, et le remplissage du noyau en béton avec du caoutchouc empêche le développement de fissures.Le rapport cisaillement/envergure a eu peu d’effet sur le comportement des éprouvettes.Le taux de remplacement du caoutchouc a peu d'effet sur la capacité à résister à un moment de flexion, mais a un certain effet sur la rigidité en flexion de l'éprouvette.Après remplissage avec du béton de caoutchouc, par rapport aux échantillons provenant d'un tuyau en acier vide, la capacité de flexion et la rigidité à la flexion sont améliorées.
En raison de leurs bonnes performances sismiques et de leur capacité portante élevée, les structures tubulaires en béton armé traditionnelles (CFST) sont largement utilisées dans la pratique de l'ingénierie moderne1,2,3.En tant que nouveau type de béton de caoutchouc, les particules de caoutchouc sont utilisées pour remplacer partiellement les granulats naturels.Les structures de tuyaux en acier remplis de béton de caoutchouc (RuCFST) sont formées en remplissant des tuyaux en acier avec du béton de caoutchouc pour augmenter la ductilité et l'efficacité énergétique des structures composites4.Il profite non seulement des excellentes performances des membres du CFST, mais utilise également efficacement les déchets de caoutchouc, ce qui répond aux besoins de développement d’une économie circulaire verte5,6.
Au cours des dernières années, le comportement des éléments CFST traditionnels sous charge axiale7,8, interaction charge axiale-moment9,10,11 et flexion pure12,13,14 a été étudié de manière intensive.Les résultats montrent que la capacité de flexion, la rigidité, la ductilité et la capacité de dissipation d'énergie des colonnes et poutres CFST sont améliorées par le remplissage interne du béton et montrent une bonne ductilité à la rupture.
Actuellement, certains chercheurs ont étudié le comportement et les performances des colonnes RuCFST sous charges axiales combinées.Liu et Liang15 ont réalisé plusieurs expériences sur des colonnes RuCFST courtes et, par rapport aux colonnes CFST, la capacité portante et la rigidité diminuaient avec l'augmentation du degré de substitution du caoutchouc et de la taille des particules de caoutchouc, tandis que la ductilité augmentait.Duarte4,16 a testé plusieurs colonnes RuCFST courtes et a montré que les colonnes RuCFST étaient plus ductiles avec une teneur en caoutchouc croissante.Liang17 et Gao18 ont également rapporté des résultats similaires sur les propriétés des bouchons RuCFST lisses et à parois minces.Gu et al.19 et Jiang et al.20 ont étudié la capacité portante des éléments RuCFST à haute température.Les résultats ont montré que l’ajout de caoutchouc augmentait la ductilité de la structure.À mesure que la température augmente, la capacité portante diminue initialement légèrement.Patel21 a analysé le comportement en compression et en flexion de poutres et de poteaux CFST courts à extrémités rondes sous chargement axial et uniaxial.La modélisation informatique et l'analyse paramétrique démontrent que les stratégies de simulation basées sur les fibres peuvent examiner avec précision les performances des RCFST courts.La flexibilité augmente avec le rapport hauteur/largeur, la résistance de l'acier et du béton, et diminue avec le rapport profondeur/épaisseur.En général, les colonnes RuCFST courtes se comportent de manière similaire aux colonnes CFST et sont plus ductiles que les colonnes CFST.
Il ressort de l'examen ci-dessus que les colonnes RuCFST s'améliorent après l'utilisation appropriée d'additifs en caoutchouc dans le béton de base des colonnes CFST.Puisqu’il n’y a pas de charge axiale, la flexion nette se produit à une extrémité de la poutre du poteau.En fait, les caractéristiques de flexion du RuCFST sont indépendantes des caractéristiques de charge axiale22.En ingénierie pratique, les structures RuCFST sont souvent soumises à des charges de moment de flexion.L’étude de ses propriétés de flexion pure permet de déterminer les modes de déformation et de rupture des éléments RuCFST sous action sismique23.Pour les structures RuCFST, il est nécessaire d’étudier les propriétés de flexion pure des éléments RuCFST.
À cet égard, six échantillons ont été testés pour étudier les propriétés mécaniques d’éléments de tuyaux carrés en acier purement courbés.Le reste de cet article est organisé comme suit.Tout d’abord, six éprouvettes de section carrée avec ou sans remplissage de caoutchouc ont été testées.Observez le mode de défaillance de chaque échantillon pour les résultats des tests.Deuxièmement, les performances des éléments RuCFST en flexion pure ont été analysées et l'effet d'un rapport cisaillement/portée de 3 à 5 et d'un taux de remplacement du caoutchouc de 10 à 20 % sur les propriétés structurelles du RuCFST a été discuté.Enfin, les différences de capacité portante et de rigidité à la flexion entre les éléments RuCFST et les éléments CFST traditionnels sont comparées.
Six échantillons CFST ont été complétés, quatre remplis de béton caoutchouté, un rempli de béton normal et le sixième était vide.Les effets du taux de changement du caoutchouc (r) et du rapport de cisaillement (λ) sont discutés.Les principaux paramètres de l'échantillon sont donnés dans le tableau 1. La lettre t désigne l'épaisseur du tuyau, B est la longueur du côté de l'échantillon, L est la hauteur de l'échantillon, Mue est la capacité de flexion mesurée, Kie est la valeur initiale rigidité à la flexion, Kse est la rigidité à la flexion en service.scène.
Le spécimen RuCFST a été fabriqué à partir de quatre plaques d’acier soudées par paires pour former un tube d’acier carré creux, qui a ensuite été rempli de béton.Une plaque d'acier de 10 mm d'épaisseur est soudée à chaque extrémité de l'éprouvette.Les propriétés mécaniques de l'acier sont présentées dans le tableau 2. Selon la norme chinoise GB/T228-201024, la résistance à la traction (fu) et la limite d'élasticité (fy) d'un tube en acier sont déterminées par une méthode d'essai de traction standard.Les résultats des tests sont respectivement de 260 MPa et 350 MPa.Le module d'élasticité (Es) est de 176 GPa et le coefficient de Poisson (ν) de l'acier est de 0,3.
Lors des essais, la résistance cubique à la compression (fcu) du béton de référence au jour 28 a été calculée à 40 MPa.Les rapports 3, 4 et 5 ont été choisis sur la base de la référence précédente 25 car cela peut révéler des problèmes de transmission de changement de vitesse.Deux taux de remplacement du caoutchouc de 10 % et 20 % remplacent le sable dans le mélange de béton.Dans cette étude, de la poudre de caoutchouc pour pneus conventionnelle provenant de la cimenterie Tianyu (marque Tianyu en Chine) a été utilisée.La taille des particules de caoutchouc est de 1 à 2 mm.Le tableau 3 montre le rapport entre le béton de caoutchouc et les mélanges.Pour chaque type de béton de caoutchouc, trois cubes de 150 mm de côté ont été coulés et durcis dans les conditions d'essai prescrites par les normes.Le sable utilisé dans le mélange est du sable siliceux et les granulats grossiers sont des roches carbonatées de la ville de Shenyang, au nord-est de la Chine.La résistance à la compression cubique (fcu), la résistance à la compression prismatique (fc') et le module d'élasticité (Ec) sur 28 jours pour différents taux de remplacement du caoutchouc (10 % et 20 %) sont indiqués dans le tableau 3. Mettez en œuvre la norme GB50081-201926.
Toutes les éprouvettes sont testées avec un vérin hydraulique avec une force de 600 kN.Lors du chargement, deux forces concentrées sont appliquées symétriquement au banc d'essai de flexion à quatre points puis réparties sur l'éprouvette.La déformation est mesurée par cinq jauges de contrainte sur chaque surface de l'échantillon.L'écart est observé à l'aide de trois capteurs de déplacement représentés sur les figures 1 et 2. 1 et 2.
Le test a utilisé un système de précharge.Chargez à une vitesse de 2 kN/s, puis faites une pause à une charge allant jusqu'à 10 kN, vérifiez si l'outil et la cellule de pesée sont en état de fonctionnement normal.À l’intérieur de la bande élastique, chaque incrément de charge s’applique à moins d’un dixième de la charge maximale prévue.Lorsque le tube en acier s'use, la charge appliquée est inférieure au quinzième de la charge maximale prévue.Tenez pendant environ deux minutes après avoir appliqué chaque niveau de charge pendant la phase de chargement.À mesure que l’échantillon approche de la défaillance, le taux de chargement continu ralentit.Lorsque la charge axiale atteint moins de 50 % de la charge ultime ou que des dommages évidents sont constatés sur l'éprouvette, le chargement prend fin.
La destruction de toutes les éprouvettes a montré une bonne ductilité.Aucune fissure de traction évidente n'a été trouvée dans la zone de traction du tube en acier de l'éprouvette.Les types typiques de dommages aux tuyaux en acier sont illustrés à la fig.3. En prenant l'échantillon SB1 comme exemple, au stade initial du chargement lorsque le moment de flexion est inférieur à 18 kN m, l'échantillon SB1 est au stade élastique sans déformation évidente et le taux d'augmentation du moment de flexion mesuré est supérieur à le taux d’augmentation de la courbure.Par la suite, le tube en acier dans la zone de traction est déformable et passe à l'étape élasto-plastique.Lorsque le moment de flexion atteint environ 26 kNm, la zone de compression de l'acier de moyenne portée commence à se dilater.L'œdème se développe progressivement à mesure que la charge augmente.La courbe charge-déformation ne diminue pas jusqu'à ce que la charge atteigne son point culminant.
Une fois l'expérience terminée, les échantillons SB1 (RuCFST) et SB5 (CFST) ont été découpés pour observer plus clairement le mode de rupture du béton de base, comme le montre la figure 4. On peut voir sur la figure 4 que les fissures dans l'échantillon Les SB1 sont répartis uniformément et peu dans le béton de base, et la distance entre eux est de 10 à 15 cm.La distance entre les fissures dans l'échantillon SB5 est de 5 à 8 cm, les fissures sont irrégulières et évidentes.De plus, les fissures de l'échantillon SB5 s'étendent sur environ 90° de la zone de tension à la zone de compression et se développent jusqu'à environ 3/4 de la hauteur de section.Les principales fissures du béton dans l’échantillon SB1 sont plus petites et moins fréquentes que dans l’échantillon SB5.Remplacer le sable par du caoutchouc peut, dans une certaine mesure, empêcher le développement de fissures dans le béton.
Sur la fig.La figure 5 montre la répartition de la déflexion sur la longueur de chaque éprouvette.La ligne continue est la courbe de déflexion de l'éprouvette et la ligne pointillée est la demi-onde sinusoïdale.De la fig.La figure 5 montre que la courbe de déflexion de la tige est en bon accord avec la courbe demi-onde sinusoïdale au chargement initial.À mesure que la charge augmente, la courbe de déflexion s'écarte légèrement de la courbe sinusoïdale demi-onde.En règle générale, lors du chargement, les courbes de déflexion de tous les échantillons à chaque point de mesure sont une courbe semi-sinusoïdale symétrique.
Étant donné que la déflexion des éléments RuCFST en flexion pure suit une courbe demi-onde sinusoïdale, l'équation de flexion peut être exprimée comme suit :
Lorsque la déformation maximale des fibres est de 0,01, compte tenu des conditions d'application réelles, le moment de flexion correspondant est déterminé comme la capacité de moment de flexion ultime de l'élément27.La capacité de moment de flexion mesurée (Mue) ainsi déterminée est présentée dans le tableau 1. Selon la capacité de moment de flexion mesurée (Mue) et la formule (3) de calcul de la courbure (φ), la courbe M-φ de la figure 6 peut être tracé.Pour M = 0,2Mue28, la raideur initiale Kie est considérée comme la raideur en flexion et cisaillement correspondante.Lorsque M = 0,6 Mue, la rigidité en flexion (Kse) de la phase de travail a été réglée sur la rigidité en flexion sécante correspondante.
La courbe de courbure du moment de flexion montre que le moment de flexion et la courbure augmentent de manière significative et linéaire au cours de la phase élastique.Le taux de croissance du moment fléchissant est nettement supérieur à celui de la courbure.Lorsque le moment de flexion M est de 0,2 Mue, l'éprouvette atteint le stade limite élastique.À mesure que la charge augmente, l’échantillon subit une déformation plastique et passe au stade élastoplastique.Avec un moment de flexion M égal à 0,7-0,8 Mue, le tube en acier se déformera alternativement dans la zone de tension et dans la zone de compression.Dans le même temps, la courbe Mf de l'échantillon commence à se manifester comme un point d'inflexion et croît de manière non linéaire, ce qui renforce l'effet combiné du tuyau en acier et du noyau en béton de caoutchouc.Lorsque M est égal à Mue, l'éprouvette entre dans l'étape de durcissement plastique, la déflexion et la courbure de l'éprouvette augmentant rapidement, tandis que le moment de flexion augmente lentement.
Sur la fig.La figure 7 montre les courbes du moment de flexion (M) en fonction de la déformation (ε) pour chaque échantillon.La partie supérieure de la section à mi-portée de l'échantillon est sous compression et la partie inférieure est sous tension.Les jauges de contrainte marquées « 1 » et « 2 » sont situées en haut de l'éprouvette, les jauges de contrainte marquées « 3 » sont situées au milieu de l'échantillon et les jauges de contrainte marquées « 4 » et « 5 ».»sont situés sous l'échantillon de test.La partie inférieure de l'échantillon est représentée sur la figure 2. Sur la figure 7, on peut voir qu'au stade initial du chargement, les déformations longitudinales dans la zone de tension et dans la zone de compression de l'élément sont très proches, et la les déformations sont approximativement linéaires.Dans la partie médiane, il y a une légère augmentation de la déformation longitudinale, mais l'ampleur de cette augmentation est faible. Par la suite, le béton de caoutchouc dans la zone de tension s'est fissuré. Parce que le tuyau en acier dans la zone de tension n'a besoin que de résister à la force, et le le béton de caoutchouc et le tuyau en acier dans la zone de compression supportent la charge ensemble, la déformation dans la zone de tension de l'élément est supérieure à la déformation dans la zone de compression. À mesure que la charge augmente, les déformations dépassent la limite d'élasticité de l'acier et le tuyau en acier entre l'étape élastoplastique. Le taux d'augmentation de la déformation de l'échantillon était nettement supérieur au moment de flexion et la zone plastique a commencé à se développer sur toute la section transversale.
Les courbes M-um pour chaque échantillon sont représentées sur la figure 8. Sur la fig.8, toutes les courbes M-um suivent la même tendance que les membres traditionnels du CFST22,27.Dans chaque cas, les courbes M-um montrent une réponse élastique dans la phase initiale, suivie d'un comportement inélastique avec une rigidité décroissante, jusqu'à ce que le moment de flexion maximal admissible soit progressivement atteint.Cependant, en raison des différents paramètres de test, les courbes M-um sont légèrement différentes.Le moment de déformation pour des rapports cisaillement/portée de 3 à 5 est illustré à la fig.8a.La capacité de flexion admissible de l'échantillon SB2 (facteur de cisaillement λ = 4) est inférieure de 6,57 % à celle de l'échantillon SB1 (λ = 5), et la capacité au moment de flexion de l'échantillon SB3 (λ = 3) est supérieure à celle de l'échantillon SB2. (λ = 4) 3,76 %.D'une manière générale, à mesure que le rapport cisaillement/portée augmente, la tendance du changement du moment admissible n'est pas évidente.La courbe M-um ne semble pas être liée au rapport cisaillement/portée.Ceci est cohérent avec ce que Lu et Kennedy25 ont observé pour les poutres CFST avec des rapports cisaillement/portée allant de 1,03 à 5,05.Une raison possible pour les éléments CFST est qu'à différents rapports de cisaillement de portée, le mécanisme de transmission de force entre le noyau en béton et les tuyaux en acier est presque le même, ce qui n'est pas aussi évident que pour les éléments en béton armé25.
De la fig.8b montre que la capacité portante des échantillons SB4 (r = 10 %) et SB1 (r = 20 %) est légèrement supérieure ou inférieure à celle de l'échantillon traditionnel CFST SB5 (r = 0), et a augmenté de 3,15 pour cent et a diminué de 1,57 pour cent.Cependant, la rigidité initiale en flexion (Kie) des échantillons SB4 et SB1 est nettement supérieure à celle de l'échantillon SB5, qui sont respectivement de 19,03 % et 18,11 %.La rigidité en flexion (Kse) des échantillons SB4 et SB1 en phase de fonctionnement est respectivement de 8,16 % et 7,53 % supérieure à celle de l'échantillon SB5.Ils montrent que le taux de substitution du caoutchouc a peu d’effet sur la capacité à la flexion, mais a un effet important sur la rigidité à la flexion des éprouvettes RuCFST.Cela peut être dû au fait que la plasticité du béton de caoutchouc dans les échantillons RuCFST est supérieure à la plasticité du béton naturel dans les échantillons CFST conventionnels.En général, les fissures et les fissurations dans le béton naturel commencent à se propager plus tôt que dans le béton caoutchouté29.D'après le mode de rupture typique du béton de base (Fig. 4), les fissures de l'échantillon SB5 (béton naturel) sont plus grandes et plus denses que celles de l'échantillon SB1 (béton de caoutchouc).Cela peut contribuer à la contrainte plus élevée fournie par les tuyaux en acier pour l'échantillon de béton armé SB1 par rapport à l'échantillon de béton naturel SB5.L’étude Durate16 est également parvenue à des conclusions similaires.
De la fig.La figure 8c montre que l'élément RuCFST a une meilleure capacité de flexion et une meilleure ductilité que l'élément de tube en acier creux.La résistance à la flexion de l'échantillon SB1 de RuCFST (r=20 %) est 68,90 % supérieure à celle de l'échantillon SB6 provenant de tuyaux en acier vides, et à la rigidité à la flexion initiale (Kie) et à la rigidité à la flexion au stade de fonctionnement (Kse) de l'échantillon SB1. sont respectivement de 40,52%., qui est supérieur à l'échantillon SB6, était supérieur de 16,88 %.L'action combinée du tuyau en acier et du noyau en béton caoutchouté augmente la capacité de flexion et la rigidité de l'élément composite.Les éléments RuCFST présentent de bonnes éprouvettes de ductilité lorsqu'ils sont soumis à des charges de flexion pure.
Les moments de flexion résultants ont été comparés aux moments de flexion spécifiés dans les normes de conception actuelles telles que les règles japonaises AIJ (2008) 30, les règles britanniques BS5400 (2005) 31, les règles européennes EC4 (2005) 32 et les règles chinoises GB50936 (2014) 33. (Muc) au moment de flexion expérimental (Mue) est donné dans le tableau 4 et présenté sur la fig.9. Les valeurs calculées d'AIJ (2008), BS5400 (2005) et GB50936 (2014) sont respectivement inférieures de 19 %, 13,2 % et 19,4 % aux valeurs expérimentales moyennes.Le moment de flexion calculé par EC4 (2005) est inférieur de 7 % à la valeur d'essai moyenne, qui est la plus proche.
Les propriétés mécaniques des éléments RuCFST en flexion pure sont étudiées expérimentalement.Sur la base de la recherche, les conclusions suivantes peuvent être tirées.
Les membres testés du RuCFST ont présenté un comportement similaire aux modèles CFST traditionnels.À l'exception des éprouvettes de tuyaux en acier vides, les éprouvettes RuCFST et CFST ont une bonne ductilité grâce au remplissage de béton de caoutchouc et de béton.
Le rapport cisaillement/portée variait de 3 à 5 avec peu d'effet sur le moment testé et la rigidité en flexion.Le taux de remplacement du caoutchouc n'a pratiquement aucun effet sur la résistance de l'échantillon au moment de flexion, mais il a un certain effet sur la rigidité en flexion de l'échantillon.La rigidité initiale en flexion de l'éprouvette SB1 avec un taux de remplacement du caoutchouc de 10 % est supérieure de 19,03 % à celle de l'éprouvette traditionnelle CFST SB5.L'Eurocode EC4 (2005) permet une évaluation précise de la capacité de flexion ultime des éléments RuCFST.L'ajout de caoutchouc au béton de base améliore la fragilité du béton, conférant aux éléments confucéens une bonne ténacité.
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Heure de publication : 05 janvier 2023