Ductility and failure mode of RC Beams Strengthened for Flexure with CFRP

Badania dotyczyły mechanizmów zniszczenia żelbetowych belek wzmocnionych materiałami kompozytowymi CFRP, naklejonymi na powierzchni elementu. Wszystkie badania wykazały, że jednym z powodów zniszczenia wzmocnionego elementu może być odspojenie kompozytu, rozpoczynające się w obszarze maksymalnego momentu i postępujące w kie-runku jednej z podpór. Następuje to na skutek poprzecznego nacisku betonowej otuliny stalowego zbrojenia rozciąganego na zewnętrzne zbrojenie CFRP, przy odkształceniach kompozytu rzędu 5 – 10‰. Oznacza to, że wytrzymałość materiału kompozytowego może być wykorzystana w niewielkim stopniu. Badania miały na celu sprawdzenie, czy wprowadzenie dodatkowego zbrojenia kompozytowego może opóźnić proces odspojenia kompozytu, a tym samym spowodować lepsze wykorzystanie jego nośności. Przedmiotem badania były jednoprzęsłowe, swobodnie podparte belki żelbetowe o przekroju prostokątnym 150300mm i rozpiętości 4200mm. Zbadano 6 belek w I serii i 4 belki w II serii. W belkach I serii zastosowano dodatkowe zbrojenie kompozytowe o kierunku włókien prostopadłym do podłużnej osi belki, w postaci mat i kształtek typu L. Badania wykazały, że takie dodatkowe zbrojenie powoduje opóźnienie procesu odspajania głównego zbrojenia kompozytowego, ale nie wpływa znacząco na wzrost nośności elementu na zginanie. Bardziej skuteczny okazał się sposób zbrojenia przyjęty w II serii, z matami CFRP o kierunku włókien równoległym do podłużnej osi belki, zwłaszcza w tym przypadku, gdy maty sięgały na boczne powierzchnie belki. Badania potwierdziły wcześniejsze obserwacje dotyczące sposobu zniszczenia na skutek odspojenia kompozytu od po-wierzchni betonu. Model obliczeniowy, w którym przyjęto zasadę zachowania płaskiego przekroju oraz zależności - odpowiadające rzeczywistym właściwościom zastosowanych materiałów, bardzo dobrze opisuje zachowanie się wzmocnionych elementów w całym zakresie obciążenia. Umożliwia on także uwzględnienie obciążenia belki przed jej wzmocnieniemThe experimental tests concerned failure modes of RC beams strengthened with externally bonded CFRP composites. Previous tests indicated that delamination of the strip from the concrete surface was one of the reasons of failure. It started in the maximum bending moment region and moved to one of the support. The reason of failure was vertical pressure of the concrete cover round the tension steel reinforcement for the external CFRP reinforcement for the CFRP strains equal 5 – 10‰. It seems that the ratio of composite utilisation was very low. The aim of the tests was to check if application of the additional external reinforcement delays delamination of the bottom composite and to increase the ratio of utilisation of the CFRP strength. 6 beams of Series I and 4 beams of Series II were tested. Single-span, simply supported RC beams with the rectangular cross section of 150300mm and a span of 4200mm were the object of the test. Beams of Series I were strengthened with the bottom strips and additional CFRP sheets or L-shaped strips with fibres perpendicular to the longitudinal beam direction. Tests of Series I indicated that the additional external reinforcement delayed cracking of the beam, but it did not increase sufficiently the load bearing capacity of the beams. Strengthening of Series II beams by CFRP sheets with fibres parallel to the beam span was more effective, especially while the sheets were applied on the lateral sides of the beam. The tests confirmed results of previous test concerning failure modes by the CFRP delamination from the concrete surface. Analytical model based on the plane section principle and real non–linear - characteristic of all materials corre-sponded with experimental results over the entire range of loads. The model considers state of initial loading of the element before its strengthening

Experimental research on RC beams strengthened with CFRP strips

Program doświadczalnych badań objął 8 belek żelbetowych o przekroju 150 x 300mm i rozpiętości 3000mm. Belki różniły się stopniem zbrojenia zwykłego oraz długością taśmy wzmacniającej CFRP, miejscem jej usytuowania i typem taśmy. W badaniach zastosowano taśmy typu S i M, o modułach sprężystości odpowiednio około 170GPa i 210GPa. W dwóch belkach zastosowano w strefach przypodporowych dodatkowe taśmy przyklejane na bocznych powierzchniach, w celu poprawy warunków zakotwienia taśmy głównej. Belki były obciążane dwiema siłami skupionymi (seria I – 6 elementów) lub jedną siłą skupioną, usytuowaną w środku rozpiętości (seria II – 2 elementy). Wszystkie belki zniszczyły się na skutek odspojenia taśmy CFRP. Podczas badań ujawniły się dwa mechanizmy zniszczenia, różniące się miejscem występowania i obrazem odspojenia taśmy. Pierwszy z nich („P”) miał miejsce w strefie przypodporowej belek, w pobliżu końca taśmy wzmacniającej. Taśma odspajała się wraz z betonem otuliny zbrojenia na krótkim odcinku, obejmującym strefę przypodporową, nie osiągając punktu przyłożenia siły obciążającej. Drugi sposób zniszczenia („Z”) charakteryzował znacznie dłuższy odcinek odspojenia taśmy, obejmujący nie tylko strefę przypodporową, lecz także obszar czystego zginania. Zniszczenie występowało w warstwie kleju, a tylko lokalnie wraz z taśmą odspajały się fragmenty otuliny. Badania wykazały, że nośność taśmy na rozciąganie nie może być wykorzystana, gdyż wcześniej odspaja się ona od powierzchni elementu. Stopień wzmocnienia elementu może być jednak wyraźny, zwłaszcza w elementach o niskim stopniu zwykłego zbrojenia. Efekt wzmocnienia można zwiększyć stosując taśmy o większym współczynniku sprężystości lub wprowadzając wstępne sprężenie taśm przed ich przyklejeniem. Do analizy obliczeniowej zastosowano nieliniowy model betonu z uwzględnieniem zasady „tension stiffening”.The research program included 8 RC beams with the cross-section of 150300mm and span of 3000mm. The beams were differed in steel reinforcement ratio, length, location and type of the CFRP strip. The strips of type S and M with the modulus of elasticity 170GPa and 210 GPa were used in the research. In order to improve anchorage conditions of the main strip additional strips were bonded to the both sides of two beams at the support region. The beams were loaded with two forces (series I – 6 elements) or one force located in the middle of the beam span (series II – 2 elements). The strip debonding caused failure of all beams. Two modes of failure differing in position and image of de-bonded strip appeared in tests. The first one (“P”) was appeared in the support region close to the end of the strip. The strip de-bonded together with concrete cover on short distance included only support region and did not reach the load point. The second mode of failure (“Z”) was distinguished longer debonding distance of the strip in-cluded both support and pure bending region. In this case de-bonding of the strip occurred by delamination in the adhesive layer and only locally in the concrete cover. The result of the research indicated that tension strength of the strip couldn’t be reached because of its earlier de-bonding from the beam surface. Strengthening ratio of the beam can be sufficient especially for elements with low steel reinforcement ratio. Strengthening effect can be increased by application of the strip with high elasticity modulus or strip prestressing before bonding to the element. Non-linear-elastic-plastic model of concrete with tension stiffening principle was assumed in computational analysi

In-plane uniaxial anisotropy rotations in (Ga,Mn)As thin films

We show, by SQUID magnetometry, that in (Ga,Mn)As films the in-plane uniaxial magnetic easy axis is consistently associated with particular crystallographic directions and that it can be rotated from the [-110] direction to the [110] direction by low temperature annealing. We show that this behavior is hole-density-dependent and does not originate from surface anisotropy. The presence of uniaxial anisotropy as well its dependence on the hole-concentration and temperature can be explained in terms of the p-d Zener model of the ferromagnetism assuming a small trigonal distortion.Comment: 4 pages, 6 Postscript figures, uses revtex

Experimental research on CFRP confined RC members

Pracę wykonano w ramach projektu badawczego nr 8 T07E 006 21 finansowanego przez Komitet Badań NaukowychPublikacja pod patronatem Sekcji Konstrukcji Betonowych Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PANOpracowanie wyników pomiarów i skład tekstu: Filipczak, JacekPreparing of measurement results and text edition: Filipczak, JacekPraca dotyczy problemów wzmacniania smukłych słupów żelbetowych za pomocą materiałów na bazie włókien węglowych (CFRP - Carbon Fibre Reinforced Polymer). Dwuetapowy program doświadczalnych badań obejmował betonowe próbki trzech typów, różniące się kształtem i rozmiarami oraz smukłe słupy żelbetowe. W pierwszym etapie zbadano próbki walcowe o średnicy 150mm i wysokości 300mm, próbki prostopadłościenne o przekroju kwadratowym 100×100mm i wysokości 200mm oraz próbki prostopadłościenne o przekroju prostokątnym 105×200mm i wysokości 200mm, które wzmacniano za pomocą mat i taśm o jednokierunkowym układzie włókien węglowych, stosowanych w różnych konfiguracjach. Badanie miało na celu określenie wpływu stopnia zbrojenia poprzecznego w odniesieniu do kształtu próbek, współdziałania kompozytowego zbrojenia podłużnego w przenoszeniu obciążenia ściskającego, wpływu wstępnego obciążenia próbek przed wzmocnieniem oraz mimośrodu obciążenia. W drugim etapie przeprowadzono badania dwóch smukłych słupów żelbetowych o przekroju prostokątnym (140×250mm) i wysokości 3000mm, wzmocnionych materiałami kompozytowymi. Pierwszy ze słupów został wzmocniony w kierunku podłużnym taśmami CFRP, na obu krótszych bokach przekroju, oraz w kierunku poprzecznym dwiema warstwami maty. Drugi słup wzmocniono w kierunku podłużnym trzema warstwami maty, na obu dłuższych bokach przekroju, natomiast w kierunku poprzecznym sposób wzmocnienia nie uległ zmianie. Słupy obciążano siłą działającą na mimośrodzie początkowym e = 50mm, w płaszczyźnie o większej sztywności. Obydwa słupy zniszczyły się poprzez zmiażdżenie betonu w pobliżu środka wysokości słupa. Maksymalna wartość podłużnych odkształceń w strefie ściskanej wynosiła blisko –6,0‰, a po stronie rozciąganej 3-3,5‰. Maksymalne odkształcenia poprzeczne osiągnęły 10‰. Dokonane pomiary przemieszczeń osi słupa i odkształceń podłużnych wykazały dużą plastyczność słupów, objawiającą się wyraźnym przyrostem mierzonych wielkości w obszarze obciążenia niszczącego.The research project concerns RC slender columns strengthened with carbon fiber reinforced polymer materials (CFRP). Two-stage experimental program contained of three types of concrete specimens and two slender columns. In the first stage the concrete specimens of the following types of shapes and cross section dimensions were tested: concrete cylinders with 150mm diameter and 300mm height, specimens with 100mm square cross section and 200mm height and specimens with rectangular cross section of 105×200mm and 200mm height. The specimens were strengthened with unidirectional CFRP wraps and strips, applied in different configurations. The aim of the research was to evaluate the influence of transverse CFRP reinforcement ratio referring to the cross section shape, influence of external longitudinal composite reinforcement on compressive stress carrying, influence of preloading concrete specimens prior to CFRP application and influence of load eccentricity on strengthening effect. In the second stage the test on two slender columns of rectangular cross section (140×250mm) and 3000mm height was performed to evaluate the influence of CFRP strengthening. Columns were strengthened in two different configurations of CFRP materials. The first column was strengthened longitudinally with 2 S-type strips, glued on both short sides of the column. The second one was strengthened longitudinally by 3 layers of CFRP sheet on both long sides of the column. Both columns were additionally confined in transverse direction with 2 layers of CFRP sheet. The columns were initially preloaded with eccentricity of e = 50mm in a stiffer plane. The same mode due to concrete crushing at midheight in both columns occurred. The maximal longitudinal strains in compression zone at failure reached –6,0‰ while in the tension zone it was 3-3,5‰. The maximal transverse strain reached 10,0 ‰. A high ductility of columns was proved by a distinct increase in the column deflections and longitudinal strain measured under the ultimate load

Disorder suppression and precise conductance quantization in constrictions of PbTe quantum wells

Conductance quantization was measured in submicron constrictions of PbTe, patterned into narrow,12 nm wide quantum wells deposited between Pb$_{0.92}$Eu$_{0.08}$Te barriers. Because the quantum confinement imposed by the barriers is much stronger than the lateral one, the one-dimensional electron energy level structure is very similar to that usually met in constrictions of AlGaAs/GaAs heterostructures. However, in contrast to any other system studied so far, we observe precise conductance quantization in $2e^2/h$ units, {\it despite of significant amount of charged defects in the vicinity of the constriction}. We show that such extraordinary results is a consequence of the paraelectric properties of PbTe, namely, the suppression of long-range tails of the Coulomb potentials due to the huge dielectric constant.Comment: 7 pages, 6 figures, submitted to Phys. Rev.

Ising Quantum Hall Ferromagnet in Magnetically Doped Quantum Wells

We report on the observation of the Ising quantum Hall ferromagnet with Curie temperature $T_C$ as high as 2 K in a modulation-doped (Cd,Mn)Te heterostructure. In this system field-induced crossing of Landau levels occurs due to the giant spin-splitting effect. Magnetoresistance data, collected over a wide range of temperatures, magnetic fields, tilt angles, and electron densities, are discussed taking into account both Coulomb electron-electron interactions and s$-$d coupling to Mn spin fluctuations. The critical behavior of the resistance ``spikes'' at $T \to T_C$ corroborates theoretical suggestions that the ferromagnet is destroyed by domain excitations.Comment: revised, 4 pages, 4 figure

Beam profile investigation of the new collimator system for the J-PET detector

Jagiellonian Positron Emission Tomograph (J-PET) is a multi-purpose detector which will be used for search for discrete symmetries violations in the decays of positronium atoms and for investigations with positronium atoms in life-sciences and medical diagnostics. In this article we present three methods for determination of the beam profile of collimated annihilation gamma quanta. Precise monitoring of this profile is essential for time and energy calibration of the J-PET detector and for the determination of the library of model signals used in the hit-time and hit-position reconstruction. We have we have shown that usage of two lead bricks with dimensions of 5x10x20 cm^3 enables to form a beam of annihilation quanta with Gaussian profile characterized by 1 mm FWHM. Determination of this characteristic is essential for designing and construction the collimator system for the 24-module J-PET prototype. Simulations of the beam profile for different collimator dimensions were performed. This allowed us to choose optimal collimation system in terms of the beam profile parameters, dimensions and weight of the collimator taking into account the design of the 24 module J-PET detector.Comment: 14 pages, 9 figure