Comportamento a taglio e metodo di costruzione dei giunti calettati a taglio in acciaio in travi segmentate prefabbricate

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11166 (2023) Citare questo articolo

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I giunti tra i segmenti rappresentano punti deboli e introducono discontinuità nelle strutture, quindi sono particolarmente significativi nei ponti a segmenti in calcestruzzo prefabbricato. In questo studio è stata progettata una nuova chiave di taglio in acciaio e sono stati condotti 6 test su scala reale. Varie chiavi di taglio e tipi di giunti sono stati presi come parametri sperimentali per studiare la propagazione delle cricche, la modalità di rottura, lo scorrimento al taglio, la capacità portante ultima e la capacità portante residua di vari giunti sottoposti a carico di taglio diretto. I risultati mostrano che la rigidezza e la capacità di taglio dei giunti a taglio in acciaio erano superiori rispetto ai giunti a chiave in calcestruzzo, e il sistema strutturale era più stabile dei giunti a chiave in calcestruzzo al momento della fessurazione. Sia i giunti epossidici con chiave in cemento che quelli con chiave in acciaio hanno subito una rottura diretta per taglio. Tuttavia, a differenza dei giunti epossidici in calcestruzzo che hanno subito rotture fragili, i giunti epossidici con chiave in acciaio hanno dimostrato una grande capacità residua. Basandosi sulla tradizionale costruzione dei ponti segmentati, vengono introdotti metodi di costruzione che coinvolgono giunti con calettatura a taglio in acciaio inclusi abbinamento a linea corta, abbinamento a linea lunga e metodi modulari. Infine, la fattibilità della costruzione dei giunti calettati a taglio in acciaio è stata verificata tramite test ingegneristici.

Il ponte segmentato in calcestruzzo prefabbricato (PCSB) si è sviluppato rapidamente grazie ai suoi vantaggi di progettazione economica e sicura, costruzione veloce e versatile, nessuna interruzione a livello del suolo, eccellente manutenibilità, bassi costi del ciclo di vita e controllo di qualità facilmente ottenibile1,2,3. I giunti sono le caratteristiche del PCSB, che trasmettono le sollecitazioni di compressione e taglio dei giunti4,5. Ma l'armatura e il calcestruzzo sono discontinui in corrispondenza del giunto, che è la parte debole della struttura6,7. Pertanto, le prestazioni di taglio dei giunti hanno attirato l'attenzione dei ricercatori.

Jones et al.8 e Buyukozturk et al.9 hanno concluso che il comportamento al taglio dei giunti con chiavetta a secco dipende dal livello di stress confinante. Zhou et al.10 hanno eseguito test sui meccanismi di trasferimento del taglio di una serie di giunti con chiavetta in scala reale e hanno concluso che i giunti epossidici hanno una resistenza al taglio costantemente più elevata rispetto ai giunti a secco. Sangkhon et al.11 hanno condotto uno studio sperimentale sulla forma delle chiavi e ritengono che la capacità di carico delle chiavi semicircolari e triangolari sia ovviamente migliore di quella delle chiavi trapezoidali, ma le chiavi semicircolari e triangolari sono più soggette a rotture fragili. Yuan et al.12 hanno scoperto che la duttilità delle chiavi rinforzate è superiore a quella delle chiavi in ​​cemento semplice e il tendine interno aiuta a migliorare la capacità di taglio delle chiavi in ​​cemento. Choi et al.13 ritengono che il livello appropriato di stress di confinamento e di resina epossidica possa prevenire il cedimento improvviso dei giunti in condizioni di carico ciclico di ampiezza elevata. Al-Rousan et al.14 studiano l'influenza dello stress di confinamento e della resistenza a compressione del calcestruzzo sul comportamento a taglio di giunti a chiavetta a secco attraverso la simulazione FEA non lineare ed è stata proposta una formula per la capacità di taglio. Zhang et al.15 hanno eseguito test su vasta scala sul comportamento al taglio di giunti epossidici a chiave multipla e hanno proposto una nuova formula considerando la distribuzione non uniforme dello stress di taglio. I risultati dei test di Alcalde16 mostrano che lo stress di taglio medio trasferito attraverso il giunto diminuisce con il numero di chiavi, ma questa influenza è meno apprezzata all'aumentare dello stress di confinamento. Zhan et al.1 hanno condotto indagini sperimentali sulle prestazioni di taglio dei giunti dei denti chiave (KTJ) sotto carichi ripetuti e hanno scoperto che, rispetto al carico monotono, la capacità portante e la rigidità dei KTJ sono significativamente ridotte sotto carichi ripetuti a causa del danno accumulo nel calcestruzzo. Nel frattempo, Zhan et al.17 hanno indicato che il giunto con chiavetta in calcestruzzo semplice presenta una rottura da “taglio diretto” sotto carico diretto, e l’aggiunta di barre di acciaio interne contribuirà a rafforzare la connessione dei giunti con chiavetta e a convertire la modalità di rottura dominante nella modalità di “schiacciamento” . Luo et al.18 hanno proposto un'espressione analitica per prevedere la capacità di taglio dinamico dei giunti epossidici sottoposti a diverse velocità di deformazione. Freitas et al.19 hanno sviluppato gli inviluppi di rottura considerando la capacità di taglio multiassiale chiave con pressione di confinamento, P, momento, M, e torsione, T. Ha scoperto che i rapporti tra momento e taglio, M/V, e torsione e taglio, T/ V, controlla il meccanismo di fallimento. Smittakorn et al.20 e Beattie et al.21 hanno effettuato test per valutare la resistenza al taglio e alla deformazione dei giunti utilizzando cemento rinforzato con fibre di acciaio (SFRC) e hanno indicato che l'aggiunta di fibre di acciaio migliora la capacità di taglio e la duttilità dei giunti a chiavetta. Jiang et al.7 hanno scoperto che la resistenza dei giunti a calettamento a secco in SFRC è superiore del 25% rispetto a quella dei giunti a calettamento convenzionali in calcestruzzo. Park et al.22 hanno proposto un modello analitico per prevedere la capacità di taglio dei giunti con chiavetta SFRC attraverso indagini sperimentali. Voo et al.23, Gopal et al. 24 e Kim et al.25 hanno eseguito test sulla capacità di taglio del giunto con chiavetta UHPC e hanno scoperto che i carichi di rottura aumentavano con il numero di chiavi di taglio. Hu et al.4 hanno ottenuto un metodo di previsione della resistenza al taglio del giunto a secco con chiavetta UHPC basato su precedenti risultati sperimentali e simulazioni numeriche. Sole et al. 26 hanno riscontrato che la duttilità delle chiavi di taglio delle normali barre di acciaio è migliore, mentre le chiavi di taglio delle barre di FRP mostrano una maggiore fragilità. Issa et al.27 hanno scoperto che la specifica AASHTO trascura il contributo delle resine epossidiche e sottovaluta la resistenza al taglio del giunto epossidico a chiave singola. Rombach et al.28 hanno proposto un nuovo modello di progettazione per i giunti a secco e ritengono che la specifica AASHTO sovrastimi la capacità portante dei giunti a secco. Turmo et al.29 ritengono che il fattore di sicurezza (0,75) debba essere considerato nel calcolo della resistenza a taglio dei giunti a chiavetta in calcestruzzo mediante la formula AASHTO. Shamass et al.30 raccomandano di ridurre il coefficiente di attrito utilizzato nell'equazione del codice AASHTO quando viene applicata un'elevata pressione di confinamento.