Provningsrapport
Projektnummer 05035
Provning av skjuvförbindare
På uppdrag av
Vägverket Region Norr
Testlab Claes Fahleson
Förord
Under september 2005 har projektet ”Provning av skjuvförbindare” bedrivits vid avdelningen Testlab vid Luleå Tekniska Universitet.
Projektet syftar till att utvärdera bärförmågan hos två olika typer av skjuvförbindare för brokonstruktioner med bärande stålbalkar och farbana av betong.
I denna provningsrapport ges en detaljerad redovisning av provuppställningen för, genomförandet av och resultaten från hållfasthetsprovningen.
Provningsförfarandet och provkroppens utformning följer i stora delar den provning som utförts av R. Buckby, R.P. Johnson, M Ogle och D Harvey och som har presenterats i konferensrapporten ”The performance of coiled spring pin connectors under static and fatigue loading”.
Provningen är utförd av Lars Åström, Håkan Johansson och Georg Danielsson, Testlab.
Uppdragsgivare är Vägverket Region Norr med Eugen Karlsson som projektansvarig.
Provningsförslaget har tagits fram i samarbete med, förutom de ovan nämnda personerna, Peter Collin och Tore Lundmark Ramböll Sverige AB samt Göran Magnusson Brisab AB.
Luleå 2005-10-04
Claes Fahleson Testlab
Luleå Tekniska Universitet
Innehåll
1. Omfattning och försöksuppställning ... 3
2. Resultat ... 6
2.1. Brottbelastningsprovning ... 6
2.2. Utmattningsprovning ... 9
Bilaga 1. Tillverkningsritning provkropp... 11
Bilaga 2. Tillverkningsritning Samverkansbult till provkropp ... 12
1. Omfattning och försöksuppställning
Två olika typer av skjuvförbindare har provats, dels en fjädersprint med diametern 20 mm samt dels en skjuvbult, 33 mm, med injekteringshål. Figur 1 visar båda typerna av skjuvförbindare monterade i provkropparna. En tillverkningsritning på den andra typen av skjuvförbindare redovisas i bilaga 2.
Figur 1. Skjuvförbindare. Vänster fotografi visar skjuvförvindare av fjädersprint och höger figur visar skjuvförbindare av bult med injekteringshål.
Både typerna av skjuvförbindare har provats med avseende på brottlast. Vidare har utmattningsprovning gjorts på en provkropp med skjuvförbindare av fjädersprintar.
Måtten på provkropparna framgår av tillverkningsritningen redovisad i bilaga 1.
Varje provkropp är försedd med fyra skjuvförbindare, två på vardera ”flänssida”.
Eftersom en förhållandevis stor brottlast förväntades vid den statiska provningen (brottlastprovningen) så användes två 100 tons belastningscylindrar.
Figur 2 visar försöksuppställningen för provkropp F1. Provkroppen monterades direkt på betonggolvet som avjämnats med ett tunt lager av gips. Provkroppen belastades via ett sfäriskt lager, φ320 mm, som lagts på en fördelningsplåt med dimensionen 30x350x350 mm. Provkroppens betongöveryta avjämnades med ett tunt lager gips innan fördelningsplåten lades på plats.
Mitt på provkroppens höjd monterades fyra stycken lägesgivare, LVDT 25 mm, för att registrera förskjutningarna mellan stålflänsarna och betongen.
Provkroppen belastades med en hastighet av 1/100 mm per sekund.
Skjuvförbindarna i provkropp B1 injekterades med cementbruk med tillsats av Intraplast A (0.5% av cementvikten) samt Rescon 1 (1% av cementvikten).
Injekteringen utfördes av tillverkaren av provkropparna, Brisab AB, tre veckor innan provningen.
Provningsförfarandet vid de båda brottbelastningsproverna, F1 och B1, var identiskt.
Figur 2. Statisk provning av skjuvförbindare F1 (fjädersprint). På bilden syns även de två belastningscylindrarna, fördelningsbalk, lager och lägesgivare.
Utmattningsprovningen utfördes vid en last som var betydligt mindre än brottlasten.
Därigenom kunde en 60 tons dynamisk belastningsrigg användas. Figur 3 visar provkropp F2 (fjädersprint) upplagd i belastningsriggen. Vid utmattningsprovningen mättes förskjutningen mellan stålet och betongen med två beröringsfria lägesgivare av lasertyp, se figur 3. Vidare monterades på provkroppens ena sida
folietöjningsgivare på de horisontella stagen i syfte att mäta förändringar av kraften i stagen. Är den kraften i stagen stor så kan denna kraft bidra till att överskatta
skjuvförbindarnas bärförmåga genom att en stor friktionskraft skapas mellan flänsplåten och betongytan.
Utmattningsprovningen utfördes med en belastningscykel per sekund.
Figur 3. Utmattningsprovning av skjuvförbindare F2 (fjädersprint). Vänster fotografi visar provkroppen monterad i den dynamiska belastningsriggen.
Höger fotografi visar den lasergivare som monterats mitt på provkroppen och som mätte förskjutningen. Vidare syns även de två folietöjningsgivare som registrerade töjningen i de två horisontella stagen.
Eftersom provningen av fjädersprintarna gav så pass goda resultat så beslutades att inte göra någon utmattningsprovning av den andra typen av skjuvförbindare med injekterad bult.
Även en extra provkropp utan skjuvförbindare levererades till provningslabbet.
Denna provades inte utan istället borrades två betongcylindrar ut ur provkroppen i syfte att bestämma betongens tryckhållfasthet.
.
2. Resultat
2.1. Brottbelastningsprovning
Endast en provkropp av respektive typ provades för brottbelastning. Provkropparna provades 2005-09-01 (prov F1) och 2005-09-05 (prov B1). I figur 4 och 5 redovisas resultaten i form av kurvor med last mot förskjutning.
Prov F1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 5 10 15 20 25 30
Förskjutning [mm]
Last [kN]
LVDT 1 LVDT 2 LVDT 3 LVDT 4
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 5 10 15 20 25 30
Förskjutning [mm]
Last [kN]
Figur 4. Provkropp F1 (fjädersprint). Last – förskjutning, övre grafen visar förskjutning hos samtliga givare medan den nedre visar medelvärdet av förskjutningen.
Prov B1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Förskjutning [mm]
Last [kN]
LVDT 1 LVDT 2 LVDT 3 LVDT 4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Förskjutning [mm]
Last [kN]
Figur 5. Provkropp B1 (injekterad bult). Last – förskjutning, övre grafen visar förskjutningen hos samtliga givare medan den nedre visar medelvärdet av förskjutningen.
Brottlasten för provkropp F1 var 791 kN, vilket motsvarar 198 kN per
skjuvförbindare. Förskjutningen vid brottet var cirka 12 mm. En granskning av skjuvförbindarna efter provningen visade att de hade skjuvats av i snittet mellan betongen och stålflänsen, se figur 6. Man kan även se mindre krosskador i betongen precis ovanför skjuvförbindarna.
Provkropp B1 klarade en betydligt högre last innan provningen avbröts. Vid lasten 1452 kN avbröts provningen då förskjutningen var så pass stor så att betongen nästan hade pressats ned mot fotplåten. Denna last motsvarar 364 kN per skjuvförbindare.
Vid maxlasten hade provkroppen tydliga vertikala sprickor på betongytan. När den ena ståflänsen lossades så framgick att brottet hade uppkommit i betongen samtidigt som skjuvförbindarna var rejält deformerade, se figur 6.
Figur 6. Skjuvförbindare efter brott. Vänster fotografi visar skjuvbrottet i fjädersprinten för provkropp F1. Höger figur visar brott i betong och deformerade skjuvbultar för provkropp B1.
Ur en av de ej provade provkropparna borrades två betongkärnor ut. Tabell 1 visar resultatet av tryckprovningen av borrkärnorna.
Tabell 1. Resultat från tryckprovning av betong (2005-09-20)
Prov
Diam.
[mm]
Höjd [mm]
Vikt [gram]
Densitet [kg/m3]
Brottlast [kN]
Brottsp.
[MPa] Kommentarer
1 95.4 91.2 1592 2436 401 56.1 2 95.3 92.0 1586 2418 405 56.8
Dessa två betongprover indikerar att hållfastheten hos betongen är av god kvalitet, motsvarande hållfasthetsklass K60.
2.2. Utmattningsprovning
Provkropp F2 med skjuvförbindare av fjädersprintar utmattningsprovades. Lasten varierade mellan 20 och 220 kN, dvs. med amplituden 50 kN per skjuvförbindare.
I figur 7 redovisas resultatet av utmattningsprovningen. Den undre blå kurvan visar förskjutning på sida 1 vid min last och den övre blå kurvan visar förskjutningen på samma sida vid max last. Den röda kurvan visar motsvarande förskjutningar på provkroppens andra sida.
Prov F2
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000
Antal cykler
Förskjutning [mm]
Figur 7. Provkropp F2 (fjädersprint): Utmattningsprovning 1 Hz, 5-55 kN/skjuvförbindare. Kurvorna visar förskjutning vid max/min last på respektive sida om provkroppen.
Vid ungefär 250 000 cykler ökade den totala deformationen något. Däremot ökade inte skillnaden i förskjutning (föraskjutningsamplituden). En orsak kan vara att betongen i närmast fjädersprinten började gå sönder.
Vid 360 000 cykler så visar mätningen att något hänt. En visuell kontroll av
provkroppen utfördes då cirka 365 000 hade uppnåtts. Då noterades att provkroppen hade börjat röra sig horisontellt då den belastades. Inga synliga skador kunde dock ses. Däremot kunde man med en smal mätsticka som stacks in i en av
fjädersprintarna känna en skada på insidan av fjädersprinten. Provkroppen har inte demonterats men ”hacket” på kurvan tillsammans med den visuella kontrollen indikerar starkt att en av fjädersprintarna hade utmattats till brott. För att inte snedbelasta belastningsriggen avbröts provningen vid 369 000 cykler.
I samband med den statiska provningen upptäcktes att de horisontella stagen var belastade då provkropparna demonterades efter provningen. Därför försågs denna provkropp med töjningsgivare på de båda horisontella stagen på sida 1 (framsidan).
Figur 8 visar hur töjningen i dessa stag varierade under utmattningsprovningen.
Stagen har dimensionen 5x100 mm och en elasticitetsmodul av cirka 200 GPa. En töjning av 10 μstrian motsvarar således en kraft i stagen av cirka 1 kN.
Prov F2
-30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000
Antal cykler Töjning [μstrain]
Figur 8. Provkropp F2 (fjädersprint): Utmattningsprovning 1 Hz, 5-55
kN/skjuvförbindare. Kurvorna visar töjning i övre (blå) och undre (rosa) stagen vid max/min last på provkroppens framsida.
Töjningen i det undre staget (blå kurva) visade i stort sett ingen variation under utmattningsprovningen. I det övre staget varierade töjningen från cirka -10 till 30 μstrain, vilket motsvarar en lastamplitud av 4 kN, dvs. en förhållandevis låg kraft som, via friktionskraft, inte bör ha påverkat resultatet av provningen.
