Сравнение расчётных и экспериментальных результатов прочностных испытаний бетонных балок с композитной арматурой для гидротехнического строительства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнение расчётных и экспериментальных результатов прочностных испытаний бетонных балок с композитной арматурой для гидротехнического строительства

С. Я. Семененко

А. Е. Новиков

Аннотация

Представлены результаты проведения экспериментальных исследований по испытанию на изгиб по нормальному сечению образцов из бетона средней прочности в виде балок квадратного сечения с армированием композитной арматурой рядового качества. Для экспериментов изготавливались образцы из мелкозернистого бетона с соблюдением требований стандартов, армирование выполнялось в виде одного арматурного стержня, расположенного в растянутой зоне балки. Нагрузка кратковременная, равномерно распределенная. При проведении испытаний определялся прогиб в середине пролета и производилось дискретное ультразвуковое прозвучивание для определения момента начала трещинообразования. Для принятых характеристик образцов производился расчет значений прогиба в соответствии с общепринятыми методиками. Представлены результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных. Актуальность. Применение неметаллической композитной арматуры при гидротехническом строительстве с учетом таких факторов, как развитие химической промышленности углепластиковых композитов в парадигме импортозамещения и постоянное удорожание стального проката представляется важным фактором снижения себестоимости строительно-монтажных работ и производства бетонных строительных деталей и элементов сборных конструкций. Таким образом, исследования, направленные на замену дорогостоящей стали на более дешевые аналоги с сохранением качества строительства, представляют практический интерес. Объект. Объектом исследования являются бетонные образцы-балки с композитным стержневым армированием. Цель. Проверить гипотезу о применимости общепринятых методик расчета при конструировании бетонных эл е- ментов гидротехнических сооружений с композитной арматурой рядового качества. Материалы и методы. В исследовании применялись такие методы научного познания, как анализ и синтез различных уровней, а также стандартные общепринятые методы расчета и испытаний бетонных конструктивных элементов. Результаты и выводы. Проведены экспериментальные исследования по определению величины прогиба балок-образцов с композитной арматурой рядового качества, загруженных равномерно-распределенной нагрузкой с контролем трещинообразования ультразвуковым прозвучиванием. Результаты эксперимента сравнивались со значениями прогиба, вычисленными по стандартным методикам, и было выявлено, что разница между экспериментальными и вычисленными значениями находится в допустимых пределах. Проведенный эксперимент показывает, что выдвинутая гипотеза полностью подтверждается и композитная арматура рядового качества в готовых изделиях обладает характеристиками, обеспечивающими их применимость при расчетах элементов конструкций бетонных гидротехнических конструкций с армированием неметаллической композитной арматурой. бетонная балка прогиб арматура

Ключевые слова: бетонные балки, максимальный прогиб балок, неметаллическая композитная арматура, расчет балок.

Введение

Как правило, одним из факторов, обеспечивающим промышленный рост, является применение в строительстве наиболее совершенных инновационных конструкционных материалов, как это было, например, в СССР, когда в период расцвета в гигантских масштабах применялся самый технологичный и совершенный на тот момент композитный конструкционный материал - железобетон. Современные рыночные отношения во главу угла ставят получение прибыли, а как известно, увеличить этот наиважнейший показать можно, сократив затраты. Поэтому с развитием технологий полимеров, замена стальной арматуры, которая вносит большой вклад в формирование себестоимости железобетонных конструкций, на более дешёвые композитные неметаллические аналоги, является лишь вопросом времени [9].

Если говорить о промышленных объемах использования бетонных композитов в несущих конструкциях, то невозможно избежать целого ряда проблем. Камнем преткновения является равнозначная замена в используемых при строительном производстве деталей и конструкций из бетонных композитов стали на полимерную арматуру.

Положительные стороны использования композитных материалов являются объектом исследования достаточно большого количества ученых, в научных работах [4, 6, 17] которых приводятся весомые доказательства замены стальной арматуры на композитную неметаллическую.

Анализ публикаций, посвященных исследованию свойств бетонных композитов на основе композитной арматуры, позволяет сделать вывод о том, что потенциал бетонных композитов на основе композитной арматуры не раскрыт. Если сравнить свойства стальной и композитной арматуры, то видно, что по ряду свойств композитная арматура выигрывает у стальной [17]. Вместе с тем, все исследователи единодушны в том, что по наиважнейшим прочностным и некоторым другим характеристикам на текущем уровне технологии композитная арматура не подходит для промышленного строительства ответственных объектов инфраструктуры.

Технология производства композитной арматуры подразумевает, что неметаллические арматурные стержни получаются путем формования их из базальтовых, углеродных, стеклянных или арамидных волокон с последующей пропиткой полимером, который при обработке термическим или другим способом приобретает нужные прочностные свойства и берет на себя роль связующего.

Различия в физико-механических свойствах стальной и композитной арматуры и влияние этих различий на прочностные и эксплуатационные характеристики бетоннокомпозитных изделий являются предметом исследования широкого круга опубликованных научных работ [6, 13, 14, 16].

Исходя из вышесказанного, экспериментальные научные исследования прочностных свойств бетонных композитов в элементах конструкций актуальны для развития технологий строительных конструкционных материалов, применяемых в гидромелиоративном строительстве, и представляют научный и практический интерес [9].

Целью исследования является проверка гипотезы о применимости общепринятых методик расчета при конструировании бетонных элементов гидротехнических сооружений с композитной арматурой рядового качества.

Материалы и методы

В исследовании применялись такие методы научного познания, как анализ и синтез различных уровней, а также стандартные общепринятые методы расчета и испытаний бетонных конструктивных элементов.

При экспериментальных исследованиях свойств бетонных композитов следует учитывать то, что фактически бетон является однородной структурой лишь тогда, когда конструкция обладает значительными размерами, на несколько порядков превосходящими отдельные частицы бетонного камня [1-3]. Во всех остальных случаях для получения достоверных результатов следует статистически обосновывать количество отдельных измерений [5, 15].

Согласно ГОСТ 18105-2018 при использовании схемы В, следует производить измерения для определения характеристик однородности прочности бетона не менее чем на 20 участках. В данном исследовании понятия «участок измерения» и «отдельное испытываемое изделие» совпадают, поэтому образцы для испытаний были изготовлены в количестве 20 штук, размеры каждого образца для лабораторных экспериментов 1000 х 70 х 70 мм. Одновременно для контроля класса бетона по прочности на сжатие были изготовлены образцы-кубы с длиной ребра 100 мм.

Для армирования была выбрана стеклокомпозитная арматура рядового качества диаметром 8 мм, сведений о ее прочностных характеристиках производитель не предоставляет, просто ссылаясь на соответствующие своды правил, поэтому данные значений предела прочности и модуля упругости при растяжении были приняты на основании нормативной литературы (СП 295.1325800.2017 [12]).

Схема армирования представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема армирования образцов

Подбор состава бетонной смеси и изготовление образцов осуществлялось с соблюдением требований соответствующих норм.

Бетонные образцы размерами 1000 х 70 х 70 мм нагружались ступенчато кратковременной равномерно распределенной нагрузкой. Интенсивность нагрузки на каждой ступени - 0,42 кН/м. Ультразвуковой метод исследования бетонных и железобетонных конструкций давно зарекомендовал себя в качестве одного из основных [7, 8, 10], и в данной работе после каждой ступени нагружения осуществлялся ультразвуковой контроль растянутой зоны с использованием ультразвукового дефектоскопа, определялась величина вертикального прогиба в середине пролета в зоне действия максимального изгибающего момента. Прогиб определялся многооборотным индикатором часового типа для измерения линейных размеров абсолютным методом. Точность измерения линейных отклонений с использованием данного прибора составляет 0,01 мм.

После разгрузки контролировалась величина остаточной деформации.

Фактическая прочность бетона в образцах, определенная в соответствии с нормами, соответствует классу В25.

Схема опирания и нагружения балки при ее испытании приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Расчётная схема, эпюры изгибающих моментов: q - равномерно распределенная нагрузка; l - расчетная длина образца; М_мах - максимальный изгибающий момент

Результаты и обсуждение. В процессе испытаний образцов балок с параметрами, представленными в таблице 1, в соответствии с требованиями норм (СП 63.13330.2018 [11]) и (СП 295.1325800.2017 [12]), были получены следующие результаты (таблица 2).

Таблица 1 - Параметры испытаний образцов-балок на прогиб

При обсуждении результатов, полученных при проведении испытаний, следует отметить, что измеряемая скорость ультразвуковых колебаний равномерно снижалась в среднем от 4015 м/с до 2169 м/с, хотя, согласно наблюдениям, при образовании трещин наблюдается скачкообразное изменение скорости распространения ультразвуковых колебаний из-за возникновения на пути звуковых волн множества фазовых переходов в поверхностном слое образца. В данных экспериментах наблюдаемый эффект объясняется тем, что трещинообразование начинается уже на первом шаге нагружения.

Данный факт подтверждается сравнением значения максимального момента, вычисленного на первом шаге нагружения и значения критического изгибающего момента, воспринимаемого нормальным сечением элемента при образовании трещин, равного при параметрах нагружения и испытаний 0,0231 кН/м.

Таблица 2 - Результаты испытаний образцов-балок

Относительная ошибка между вычисленными значениями стрелы прогиба с каждым шагом нагружения уменьшается, что является следствием того, что на начальных шагах нагружения деформации слишком малы, чтобы адекватно измеряться используемым индикатором. Как видно по результатам, когда значения прогиба увеличиваются, относительная ошибка уменьшается и значения, полученные в результате расчета и натурных испытаний, практически совпадают.

Выводы

Проведенные эксперименты показывают относительно небольшую разницу между вычисленными значениями деформации бетонных образцов-балок и результатами испытаний образцов, армированных неметаллической композитной арматурой рядового качества, что подтверждает выдвинутую гипотезу. Таким образом, можно сделать вывод, что неметаллическая композитная арматура подходит для конструирования бетонных элементов конструкций гидротехнического назначения, обеспечивает надежность и предсказуемость эксплуатационного поведения гидротехнических сооружений. Также можно заключить, что относительно низкая стоимость неметаллической композитной арматуры приводит к существенному удешевлению гидротехнического строительства, что немаловажно в связи со сложной экономической ситуацией.

Библиографический список

1. Барсуков В. Г., Волик А. Р., Марук А. А. Влияние арматуры из композитных материалов на положение нейтрального слоя при изгибе несимметрично армированных бетонных балок // Вестник Гродненского государственного университета имени Янки Купалы. Серия 6. Техника. 2019. Т. 9. № 1. С. 117-125.

2. Бегунова Н. В., Возмищев В. Н. Сравнительная оценка прочности, жесткости и трещи- ностойкости бетонных конструкций, армированных полимеркомпозитной и стальной арматурами // Интеллектуальные системы в производстве. 2017. Т. 15. № 4. С. 69-74.

3. Безгодов И. М., Пахратдинов А. А., Ткач Е. В. Физико-механические характеристики бетона на щебне из дробленого бетона // Вестник МГСУ. 2016. № 10. С. 24-34.

4. Беккер А. Т., Уманский А. М. Перспективы применения композитной арматуры // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2018. № 2. С. 7.

5. Борисова Т. А., Зиннуров Т. А., Куклин А. Н. Исследование влияния температурного воздействия на работу стеклопластиковой арматуры в бетонных конструкциях // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. № 2 (44). С. 136-144.

6. Перспективы применения композитной арматуры в морском гидротехническом строительстве / А. В. Завгороднев, А. М. Уманский, А. Т. Беккер, Е. К. Борисов // Горный информационный бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № 54-9. С. 137-148.

7. Семененко С. Я., Арьков Д. П., Марченко С. С. Проверка и практическое внедрение метода диагностики марки по водонепроницаемости бетонных конструкций мелиоративных сооружений // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 1 (49). С. 254-262.

8. Семененко С. Я., Марченко С. С., Арьков Д. П. Апробация метода диагностики марки по водонепроницаемости бетонных конструкций мелиоративных сооружений // Строительство: новые технологии - новое оборудование. 2018. № 9. С. 51-57.

9. Семененко С. Я., Марченко С. С., Арьков Д. П. Конструирование канальных плит с применением композитной арматуры // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2021. № 4 (64). С. 378-390.

10. Семененко С. Я., Марченко С. С., Арьков Д. П. Тарировочная зависимость при ультразвуковом контроле коэффициента фильтрации бетона // Аграрный научный журнал. 2018. № 10. С. 62-66.

11. СП 63.13330.2018. Свод правил. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения: актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 : утвержден Приказом Минстроя Российской Федерации 19.12.2018 № 832/ПР : введен 19.03.2019. - Москва : ФГУПЦПП, 2018. - 126 с.

12. СП 295.1325800.2017 Свод правил. Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования: утвержден Приказом Минстроя Российской Федерации 11.07.2017 № 988/ПР : введен 01.12.2018. - Москва : Стандартинформ, 2017. - 42 с.

13. Углепластики: технология получения и определение механических характеристик / В. Н. Манхиров, А. В. Номоев, В. В. Сызранцев, О. Ж. Аюрова // Вестник БГУ. Химия. Физика. 2019. No 2-3. С. 12-19.

14. Эксплуатационные характеристики полимерной композитной арматуры / В. А. Селезнев, В. А. Какуша, В. А. Ушков, Н. А. Чуков, И. А. Горбунов // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 1. С. 42-50.

15. Chiadighikaobi P. C., Jean P. V., Ssernnjoji N. Performance evaluation of basalt fiber on the deflection strength of expanded clay concrete beam // Экономика строительства. 2020. No 6 (66). P. 66-79.

16. Karbhari V. M., Chin J. W., Dunston D. Durability Gap Analysis for Fiber-Reinforced Polymer Composites in Civil Infrastructure // Journal of Composites for Construction. 2018. P. 238-247.

17. Wang N., Evans J. T. Collapse of Continuous Fiber Composite Beamat Elevated Temperatures // Journal of Composites. 2017. No 37 (1). P. 56-61.

Размещено на Allbest.ru