, Россия
, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ББК 385 Строительные конструкции
ТБК 5414 Строительные конструкции
BISAC TEC005000 Construction / General
Одной из причины, ограничивающих широкое применение композитной стержневой арматуры, является невозможность применения данного вида арматуры в качестве поперечной на опорных участках изгибаемых элементов. Предлагается для обеспечения прочности изгибаемых элементов по наклонным сечениям выполнить отгиб стержней рабочей продольной рабочей арматуры, предложены геометрические параметры отгибов для некоторых видов композитной арматуры в зависимости от диаметра стержня. Для разработки методики расчета прочности наклонных сечений необходимо выработать экспериментально обоснованные предпосылки, учитывающие особенности совместной работы композитной стержневой арматуры в наклонных сечениях. В статье предложена методика экспериментального исследования прочности и трещиностойкости армобетонных изгибаемых элементов с неметаллической композитной стержневой арматурой, включая конструкцию опытных образцов, схему установки приборов при испытании. Разработанная методика позволяет определить параметры прочности и трещиностойкости наклонных сечений изгибаемых элементов. Задачами экспериментальных исследований бетонных элементов, армированных композитной стержневой арматурой, является определение закономерности изменения напряженно-деформированного состояния бетона и композитной арматуры в процессе нагружения, определение характера разрушения элементов по наклонному сечению, получение данных о прочности и трещиностойкости элементов.
наклонное сечение, композитная арматура, отгибы арматуры, поперечное армирование
Введение. Применение композитной арматуры позволяет обеспечить коррозионную безопасность бетонных конструкций зданий и сооружений с агрессивными условиями эксплуатации. В настоящее время накоплен значительный опыт применения композитной арматуры в широкой номенклатуре бетонных конструкций, при этом композитная арматура, как правило, применяется в сочетании со стальной арматурой [1–5]. Полная замена стальной арматуры на композитную сталкивается со значительными технологическими проблемами, решение которых на сегодняшний момент не найдено. В изгибаемых элементах вместе с продольными стержнями композитной арматуры приходится применять поперечную стальную арматуру. Для надежной работы поперечных стержней необходимо обеспечить надежную их анкеровку в случае образования наклонных трещин. Анкеровка поперечных стержней композитной арматуры не может обеспечиваться надежным креплением к продольным стержням, устройством анкеров, изготовление замкнутых хомутов. Проектирование бетонных конструкций с композитной арматурой выполняют в соответствии со сводом правил СП 295.1325800.2017, некоторые положения которого нуждаются экспериментальной проверке и уточнению. Так, расчет по наклонному сечению на действие поперечных сил предписывается выполнять как стальной поперечной арматуры с применением характеристик композитной арматуры, при этом не учитываются отмеченные особенности применения стержней композитной арматуры для поперечного армирования изгибаемых элементов.
В настоящее время выполняются исследования конструкций с композитной арматурой проводятся по различным направлениям: исследование прочности конструкций при различных напряженных состояниях и режимах нагружения [6–8], исследование деформативности [9, 10], исследования конструкций с армированием разными видами композитной арматуры [11,12]. Так же выполняются исследования сцепления стержней композитной арматуры с бетоном [13], огнестойкости бетонных конструкций с композитной арматурой [14]. В то же время отсутствуют экспериментальные и теоретические исследования прочности наклонных сечений с армированием опорных участков стержневой композитной арматурой. В настоящей работе разработана методика испытаний изгибаемых балок по трещиностойкости и прочности наклонных сечений с армированием композитной арматурой в виде отгибов продольных стержней рабочей арматуры.
Методика. Задачами экспериментальных исследований бетонных изгибаемых балок с отгибами стержней композитной арматуры на опорных участках является:
- получение новых экспериментальных данных по прочности и трещиностойкости изгибаемых балок при кратковременном нагружении;
- выявить особенности совместной работы отгибов стержней композитной арматуры и бетона в наклонных сечениях;
- выявит механизм разрушения по наклонному сечению изгибаемых балок.
Методика экспериментальных исследований бетонных изгибаемых балок с отгибами стержней композитной арматуры на опорных участках включает:
- выбор материалов для изготовления опытных образцов балок;
- определение механических характеристик бетона и композитной арматуры;
- проектирование опытных образцов;
- разработка технологии изготовления опытных образцов балок с отгибами стержней композитной арматуры на опорных участках;
- разработка схемы установки приборов на опытных образцах;
- разработка схемы испытаний кратковременно действующей нагрузкой опытных образцов.
Основная часть. Композитная стержневая арматура используется в качестве продольного армирования, но не используется в качестве поперечного армирования, из-за технологических сложностей. Представляется возможным применить стержневую композитную арматуру для обеспечения наклонных сечений в виде отгибов.
Конструкция опытных балок представлена на рис. 1. Размеры опытных образцов составили 125×250×1800 мм. Материалы образцов: бетон класса В25, арматура базальтопластиковая с песчаным покрытием производства ROCKBAR ООО «Гален» диаметром 8 мм. Два стержня продольной арматуры расположены прямолинейно по всей длине балки, а оставшиеся два в четвертях пролета переводились из нижней зоны в пролете к верхней грани на опоре с выходом через верхнюю часть балки. Особенностью конструктивного решения опытных балок является отсутствие поперечного армирования по всей длине.
Рис. 1. Конструкция опытной балки
Механические характеристики композитной арматуры определены по ГОСТ 32495-2015, также учтены результаты экспериментальных исследований [15–18]. Необходимо отметить, что существует определенная сложность в назначении расчетных прочностных характеристик стержневой композитной арматуры. Значение сопротивления растяжению и значение модуля упругости назначают в соответствии с
ГОСТ 31938–2012, который лишь устанавливает минимальные значения физико-механических показателей стержневой композитной арматуры. В то же время документ допускает, что предел прочности на растяжение и модуль упругости при растяжении должны быть не менее значений, указанных в документах изготовителей композитной арматуры. То есть проектирование бетонных конструкций с композитной арматурой возможно только применительно к продукции конкретных предприятий, выпускающих композитную полимерную арматуру. Поэтому очень важно решить задачу назначения расчетного сопротивления композитной арматуры при проектировании бетонных конструкций с такой арматурой [19, 20].
Расположение отгибов стержней композитной арматуры необходимо выполнить максимально близко к траектории главных растягивающих напряжений. Варианты устройства отгибов в изгибаемых балках представлены на рис.2. Особенностью конструктивного решения экспериментальных балок являлось отсутствие поперечного армирования по всей длине.
При проектировании опытных балок решалась задача по определению величины радиуса загиба стержней композитной арматуры (табл. 1).
Для практики проектирования бетонных балок с композитной арматурой можно рекомендовать минимальную величину загиба стержней 20 d. Необходимо отметить, что для фиксации отогнутых стержней требуется установка дополнительной монтажной арматуры.
Испытания опытных балок проводятся на испытательном стенде, позволяющем устанавливать необходимые схемы приложения нагрузки и режим испытаний. Нагружение составных железобетонных элементов проводится двумя сосредоточенными силами, приложенными на расстоянии 450 мм от опор. Нагрузку прикладывается ступенями по 0,1 разрушающей нагрузки, определенной предварительными испытаниями, на каждом этапе нагружения производилась выдержка 10 – 15 минут. Схема испытания опытных балок и схема установки приборов приведены на рис. 3.
Контролируемые параметры в ходе испытания балки:
- разрушающая нагрузка;
- нагрузка, при которой образуются трещины;
- деформации бетона на приопорнных участках;
- ширина раскрытия трещин на всех этапах нагружения;
- деформации смещения стержней композитной арматуры относительно бетона.
Для измерения деформаций бетона по наклонным сечениям на опытные балки были применены тензорезисторы типа ПКБ с базой
80 мм, наклеенные боковых поверхностях балки с обеих сторон балок в приопорной зоне по траектории наклонных сечений. Также параллельно с тензодатчиками установлены индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм. Данная схема расположения регистрирующих приборов позволит полностью оценить напряженно - деформированное состояние наклонных сечений. Так же для измерения деформации балок по наклонному сечению установлены индикаторы часового типа с ценой деления 0,1 мм. Для фиксации сдвига стержней арматуры в бетоне, установлены индикаторы часового типа с ценой деления 0,001мм в месте выпусков арматуры.
Выводы. Предложенная методика экспериментальных исследований изгибаемых бетонных балок с отгибами стержней композитной арматуры на опорных участках позволяет определить количественные и качественные параметры прочности наклонных сечений, а также оценить степень совместной работы отгибов композитной арматуры с бетоном после образования наклонных трещин. Предложены рекомендации по назначению радиуса отгиба композитных стержней при проектировании изгибаемых бетонных балок с отгибами стержней композитной арматуры на опорных участках.
Предлагаемой методики позволяет на каждой стадии проведения испытаний в режиме реального времени получать и оценивать напряженно-деформированного состояние опытных балок.
1. Акимов Э.К. Применение неметаллической композитной арматуры в бетонных конструкциях // Международный студенческий строительный форум – 2016 (к 45-летию кафедры строительства и городского хозяйства). 2016. №1. С. 278–282.
2. Акимов Э.К. Перспективы применения неметаллической композитной арматуры в изгибаемых армобетонных элементах с отгибами на приопорных участках // Наука и инновации в строительстве. Сборник докладов Международной научно-практической конференции (к 165-летию со дня рождения В.Г. Шухова). 2018. С. 10–13.
3. Римшин В.И., Меркулов С.И. Элементы теории развития бетонных конструкций с неметаллической композитной арматурой // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 5. С. 38–42.
4. Меркулов С.И., Римшин В.И. Композитные материалы для бетонных и железобетонных конструкций // Актуальные вопросы архитектуры и строительства. Сборник материалов Международной научно-технической конференции. С. 222–225.
5. Субботин А.И., Шутова М.Н., Шагина А.И. Анализ специфики использования композитного армирования в фундаментах возводимых и реконструируемых зданий // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2019. № 2(75). С. 37–48.
6. Невский А.В. Экспериментальные исследования прочности бетонных колонн с углекомпозитным стержневым, дисперсным и внешним армированием на основе углеволокна при кратковременном динамическом нагружении // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018 Т.20, № 4. С. 91–101.
7. Гиздатуллин А.Р., Хусаинов Р.Р., Хозин В.Г., Красиникова Н.М. Прочность и деформативность бетонных конструкций, армированных полимеркомпозитными стержнями // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 2(62). С. 32–41.
8. Krassowska, J., Lapko A. The influence of steel and basalt fibers on the shear and flexural capacity of reinforced concrete beams // Journal of Civil Engineering and Architecture. 2013. Vol. 7, № 7(68). Рp. 789–795.
9. Ветрова О.А. Экспериментальные исследования деформативности бетонных балок, армированных композитной арматурой // Известия Юго-Западного государственного университета. 2020. № 24(1). С. 103–114.
10. Моргунов М.В., Копелиович Д.И. Экспериментальные исследования деформирования бетонной балки армированной стеклопластиковой арматурой // Инновации иинвестиции. 2019. № 4. С. 278–281.
11. Фролов Н.В., Смоляго Г.А., Полоз М.А. Экспериментальные исследования образцов армобетонных балок с различным содержанием в растянутой зоне стержней стеклопластиковой арматуры // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 1. С. 60–64.
12. Степанова В.Ф., Бучкин А.В., Ильин Д.А. Исследование особенности работы бетонных конструкций с комбинированным армированием (арматурой композитной полимерной и неметаллической фиброй) // Academia. Архитектура и строительство. 2017. №1. С. 124–128.
13. Богданова Е.Р. Изменение свойств сцепления композитной полимерной арматуры с бетоном в условиях воздействия различных сред // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 2. С. 39–43.
14. Меркулов С.И., Римшин В.И., Акимов Э.К. Огнестойкость бетонных конструкций с композитной стержневой арматурой // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 4. С. 50–53.
15. Меркулов С.И., Акимов Э.К. Экспериментальные характеристики базальтопластиковой арматуры диаметра 6мм // Наука и инновации в строительстве: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ, 2017. С. 73–76.
16. Фролов Н.В., Обернихин Д.В., Никулин А.И., Лапшин Р.Ю. Исследование свойств композитной арматуры на основе стеклянных и базальтовых волокон // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2015. №3. С. 18–21.
17. Фролов Н.В., Полоз М.А., Колесникова Е.Г. К вопросу об испытании стержневой полимеркомпозитной арматуры на осевое растяжение // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. 2016. №11. С. 74–77.
18. Ray, B.C., Rathorea D. A review on mechanical behavior of FRP composites at different loading speeds. // Critical reviews in solid state and materials sciences. 2015. Vol. 40. Pp. 119–135.
19. Римшин В.И., Меркулов С.И. О нормировании характеристик стержневой неметаллической композитной арматуры // Промышленное и гражданское строительство. 2016. №5. С. 22–26.
20. Бучкин А.В. Нормирование прочностных характеристик композитной арматуры //Актуальные вопросы теории и практики применения композитной арматуры в строительстве. Сборник материалов Третьей научно-технической конференции. 2017. С. 15–20.
