Numeriske undersøkelser av RC-, SFRC- og hybridsegmentfôrdesign
For å studere ytelsen til betongforingskonstruksjoner i tunnelskala og sammenligne dem med konvensjonelle armerte betongforingsdesign, ble strukturene til forskjellige armerte tunnelforinger analysert separat ved å bruke detaljerte 2D-modeller inkludert fugemasselag og individuelle tunnelforingssegmenter. respons. For dette formålet ble det definert et referansetunnelprosjekt (dekkedybde 20 m, sandfundament, lateral jordtrykkskoeffisient 0.5), der belastningen på foringen ble bestemt ved en prosess- orientert tunnelsimulering (se detaljer i avsnitt 6.4.1) (ved steady state). Analysen fokuserte på holdbarhet, kvantifisert ved maksimal sprekkåpning som oversteg tillatt bredde på 0,2 mm. Foringssegmenter av armert betong med minimal armering (ytterligere 10-10 C av stålstenger i områder med høy belastning), foringssegmenter av armert betong av stålfiber med 60 kg/m3 60 mm konvensjonelle styrke krokendefibre, og hybridarmering ble analysert Foringssegmenter (125 mm stålfiberbetongstrimler og 200 mm lange stålfiberbetonglokk). Den totale stålmassen til SFRC- og RC-foringssegmentene er lik (omtrent 260 kg/segment), mens hybridforingssegmentet bruker 65 % mindre stål (92 kg/segment). Simuleringen ble utført ved bruk av betong av C40/50-kvalitet med en designstrekkfasthet på 2,5 N/mm2. For design som inneholder SFRC, antas det at fibrene har isotrop retning. Sammenligninger av ulike sikkerhetskonsepter i fiber og konvensjonelle stivede segmenter og ikke-lineær endelige elementanalyse kan finnes i litteraturen.
Under typiske belastninger oppstår det ikke store sprekker i vanlige segmentforinger av betong. Det er imidlertid to potensielle sviktmoduser: i hvelvseksjonen ble det observert en minimum normalkraft (1375 kN/m) og et maksimalt bøyemoment (329 kNm/m), som muligens kan føre til bøyesprekker. Maksimal strekkspenning oppstår nær 78 grader ved langsgående ledd på grunn av en normalkraft på 1943 kN/m og et bøyemoment på 217 kNm/m. Dette kan føre til brudd på de segmenterte hjørnene. Basert på disse observasjonene ble det laget to lasttilfeller for designformål. For utformingen av bøyningsutsatt hvelvseksjon modifiseres lastene slik at det resulterende bøyemomentet økes med 1,5 ganger og normalkraften reduseres med 0,5 ganger. For konstruksjoner rundt langsgående ledd hvor det er sannsynlig at knusing vil forekomme, øker den normale kraften og bøyemomentet med en faktor på 1,5 for å øke spenningsoverføringen og opprettholde leddrotasjonen.
Lastekasse: Bøyning
Responsen til alle foringskonstruksjoner, eller forsterkningsplaner, på bøyebelastningsforhold. Bare bøyeresponsen til hvelvsegmentet er vist da dette er området hvor de største sprekkene er observert. Videre vises kun sprekkvidden. Foringssystemet ble ikke skadet og fortsatte å fungere som en bærende konstruksjon. Derfor er den eneste faktoren som begrenser utvalget av noen av disse tilfellene den anslåtte sprekkbredden, som ikke kan overstige de spesifikke prosjektkravene for holdbarhetsgrensetilstanden (omtrent 0.2 mm).
Som forventet viste den slette betongforingsringen (PC) de største bøyesprekkene, hvor hovedsprekkene oppsto i innerkanten av toppen av tunnelforingen, hvor maksimalt bøyemoment er forutsagt. Det er verdt å merke seg at PC-skjemaet viser multi-crack-adferd (på grunn av kompressive normalkrefter) i stedet for en enkelt global sprekk som fører til segmentfeil. De armerte betongsegmentene viste en lignende respons som de armerte betongsegmentene, med hovedforskjellen at sprekkmønsteret var mer regelmessig. I stedet for å forutsi sprekkstørrelser som mer eller mindre tilsvarer bøyemomentet brukt på et bestemt punkt, som i PC-segmenter, er sprekkstørrelsene observert i R-segmenter mer eller mindre like, noe som indikerer at stålstengene effektivt vil bevege seg langs crack-responsen begrensninger for stanglengde. Den forutsagte maksimale sprekkvidden i armert betongseksjon er 0.158 mm, som er innenfor det tolererbare området på mindre enn 0.2 mm spesifisert i bruksgrensen. Heldigvis var SFRC-segmenter de mest effektive til å redusere sprekkvidden. Begge armeringsalternativene resulterer i sprekker betydelig under bruksgrensen og er derfor effektive armeringsdesign. Under hybridarmeringsskjemaet er fullseksjonsbøyningsytelsen til SFRC litt bedre (0.112 mm vs. 0.142 mm). Dette tilsvarer en økning i sprekkvidden på ca. 25 %, mens den totale reduksjonen i SFRC er 75 %.
Lasttilfelle: Avskalling i langsgående ledd
Responsen til alle foringskonstruksjoner, eller forsterkningsskjemaer, under avskallingsbelastning, er vist i figur 5.28. Den største flissprekken oppsto ved langsgående ledd 78 grader fra toppen av tunnelen, målt med klokken fra toppen av ringen. Samlet sett er de forutsagte trendene i maksimal sprekkbredde lik de for bøyevarianten. Men i tilfelle av avskalling viste SFRC seg å være mer effektivt for å redusere sprekkvidden.
Det er viktig å merke seg at minimumsstål-sprekkemotstanden gitt i utformingen av armert betong ikke er tilstrekkelig til å hindre dannelsen av sprekker som overskrider toleransene. Dette indikerer at SFRC er mer egnet enn RC for å motstå sprekker. Effektiviteten til hybride armeringssystemer kan økes ved å bruke høyere armert betonghettelengder der de yter bedre enn konvensjonelle armert betongdesign og under normale bruksgrenser. Sprekker starter utenfor stålfiberlaget, og stålfiberlaget kan bare begrense den videre utviklingen av sprekken. For å estimere den optimale SFRC cap-lengden, kan en optimaliseringsalgoritme brukes.
