CC BY
32Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 117-123. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 1 (60). Р. 117-123.
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Научная статья
УДК 634.212.45:691.87
doi 10.52170/1815-9265_2022_60_117
Численное моделирование взаимодействия стеклопластикового
анкера с бетоном
Юрий Владимирович Астахов1, Наталья Сергеевна Пичкурова2^
11 2 Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск, Россия
1 yur.astahoff@yandex.ru
2 nataliapich@mail.ruH
Аннотация. Армированный бетон является основным конструкционным материалом в современном строительстве. Он отличается рядом свойств и особенностей, которые необходимо учитывать для надежного и качественного проектирования разнообразных конструкций и сооружений. В настоящее время на строительном рынке, помимо традиционной стальной арматуры, распространение получила неметаллическая (композитная) арматура. Низкий модуль упругости, высокая разрывная прочность, отсутствие коррозии (в отличие от стальной арматуры), низкая теплопроводность, исключающая мостики холода в каменных конструкциях, определяют эффективность применения неметаллической арматуры в каменных и бетонных конструкциях. Следует отметить, что неметаллическая арматура становится альтернативой стальной из-за значительного роста цен на металл. Поэтому проектирование стеклопластиковой арматуры в виде коротких стержней с усилением на торцах в качестве гибких связей, установленных между слоями сборных стеновых панелей, является актуальным.
В статье представлены данные экспериментальных исследований податливости сосредоточенного анкера, выполненного из стеклопластиковой арматуры, при его выдергивании из образцов малого размера, изготовленных из тяжелого и легкого бетона. На основе опытных данных приведен численный расчет тре-щиностойкости стеклопластикового анкера, работающего на выдергивание. Для этого из бетонной среды у контакта сосредоточенного анкера выделена расчетная область в виде цилиндра. На внутренней поверхности, копирующей профиль сосредоточенного стеклопластикового анкера, заданы условия, необходимые для учета совместной работы анкера и бетонной плитки. Расчет, выполненный методом конечных элементов, позволяет моделировать развитие трещин, начинающихся у выступов анкера, и определить напряженно-деформированное состояние бетона плитки в условиях трещинообразования.
Результаты исследования предполагается использовать при проектировании трехслойных стеновых панелей с гибкими стеклопластиковыми связями.
Ключевые слова: стеклопластиковая арматура, бетон, численное моделирование, анкер, трещинооб-разование
Для цитирования: Астахов Ю. В., Пичкурова Н. С. Численное моделирование взаимодействия стеклопластикового анкера с бетоном // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 1 (60). С. 117-123. DOI 10.52170/1815-9265_2022_60_117.
BUILDING AND ARCHITECTURE
Original article
Numerical simulation of the interaction of a fiberglass anchor
with concrete
Yury V. Astakhov1, Natalia S. Pichkurova2H
1, 2 Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia
1 yur.astahoff@yandex.ru
2 nataliapich@mail.ruH
Abstract. Reinforced concrete is the main structural material in modern construction. It is distinguished by a number of properties and features that must be taken into account for the reliable and high-quality design of various structures and structures. Currently, in the construction market, in addition to traditional steel reinforcement, non-metallic (composite) reinforcement has become widespread. Low modulus of elasticity, high tensile strength, no
© Астахов Ю. В., Пичкурова Н. С., 2022
corrosion (unlike steel reinforcement), low thermal conductivity, which excludes cold bridges in stone structures, determine the effectiveness of the use of non-metallic reinforcement in stone and concrete structures. It should be noted that non-metallic reinforcement is becoming an alternative to steel due to a significant increase in metal prices. Therefore, the design of fiberglass reinforcement in the form of short rods with reinforcement at the ends as flexible links installed between the layers of prefabricated wall panels is relevant.
The article presents data from experimental studies of the compliance of a lumped anchor made of fiberglass reinforcement when it is pulled out of small-sized samples made of heavy and lightweight concrete. On the basis of experimental data, a numerical calculation of the crack resistance of a fiberglass anchor working for pulling out is given. To do this, a computational area in the form of a cylinder is selected from the concrete medium at the contact of the concentrated anchor. On the inner surface, which copies the profile of a concentrated fiberglass anchor, the conditions necessary to take into account the joint operation of the anchor and the concrete tile are set. The calculation performed by the finite element method makes it possible to simulate the development of cracks starting at the anchor protrusions and to determine the stress-strain state of the tile concrete under cracking conditions.
The results of the study are supposed to be used in the design of three-layer wall panels with flexible fiberglass
ties.
Keywords: fiberglass reinforcement, concrete, numerical simulation, anchor, cracking
For citation: Astakhov Yu. V., Pichkurova N. S. Numerical simulation of the interaction of a fiberglass anchor with concrete. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(60): 117-123. (In Russ.). DOI 10.52170/18159265 2022 60 117.
Стеклопластиковая арматура появилась на строительном рынке относительно недавно и в настоящее время является эффективным материалом для армирования строительных конструкций. Активное использование ее в качестве арматуры обусловлено необходимостью применения армированного бетона для объектов, эксплуатируемых в агрессивных средах, где применение обычной стальной арматуры связано с трудностями обеспечения стойкости к коррозии. Более того, для ряда сооружений необходимо предусмотреть материалы с антимагнитными и диэлектрическими свойствами [1].
Сама идея применения неметаллической арматуры в строительстве не нова - авиакосмическая промышленность использовала стеклопластик для проектирования камер высокого давления в самолетах [2], за рубежом есть примеры построенных мостов с армированием композитной арматурой [3]. Однако широкое применение стеклопластиковой арматуры сдерживалось на тот момент высокой ее стоимостью по сравнению с металлическими стержнями [4].
В настоящее время ситуация кардинально изменилась - рост цен на металл дал новый виток развитию и применению в строительстве стеклопластиковой композитной арматуры (СПА).
Ниже приведены основные достоинства СПА согласно АС1 440.^-06:
- устойчивость к воздействию агрессивных сред (СПА не коррозирует и обладает повышенной химической стойкостью);
- высокая устойчивость на разрыв (в 2,5...3 раза выше по сравнению со стальной арматурой);
- низкий вес (в 5 раз легче металлических аналогов);
- низкая теплопроводность (способствует устранению мостика холода в бетонных конструкциях);
- практически одинаковый коэффициент температурного расширения с бетоном (при изменениях температуры не нарушается совместная работа бетона и арматуры).
Однако у СПА, наряду с достоинствами, есть ряд недостатков :
- низкий модуль упругости (требует дополнительных расчетов в плитах перекрытий и балках);
- потенциально низкая огнестойкость в зависимости от матрицы и покрытия бетона;
- невозможность проведения сварочных работ (решением данной проблемы является установка на заводе по концам арматурных стержней стальных трубок);
- невозможность размещения стержней согласно эпюрам моментов (невозможно придать изгиб).
Однако, несмотря на недостатки, область применения СПА практически не ограничена (рис. 1).
В РФ в последнее время широкое применение СПА получила в стеновых панелях зданий и сооружений. Как правило, проектируют короткие стержни длиной 400.. .600 мм, диаметром 5.. .8 мм, с усилением на концах свя-
Армирование фундаментов
\
Армирование дорожных покрытий
г
В стеновых панелях
Композитная арматура
> ! N
Гибкие связи в слоистой кладке
Армокаменные конструкции
Рис. 1. Область применения композитной арматуры согласно [4]
зеи в виде конусов, так называемых сосредоточенных анкеров. В связи с этим актуальной становится задача оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) стеновых бетонных панелей и сцепления композитной арматуры с бетоном. Ограниченность сведений о поведении СПА в бетоне не позволяет говорить о надежной эксплуатации таких конструкций и подтверждает необходимость теоретических и практических исследований заделки анкера в бетоне.
Сцепление - это связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, в силу чего бетон сопротивляется ее проскальзыванию под действием нагрузки. Для такого материала, как железобетон, сцепление является важной характеристикой: от качества сцепления зависит возникновение трещин и ширина их раскрытия. При этом под термином «железобетон» понимают единый композиционный материал до того момента, пока существует сцепление по контактной поверхности между арматурой и бетоном [5]. При нарушении сцепления элемент перестает быть единым.
Поскольку на протяжении длительного времени не было единой теории сцепления, П. П. Назаренко предложил «обобщенный закон трения стальной арматуры с бетоном» [6]. При совершенствовании различных типов арматуры (в том числе СПА) проблема сцепления имеет фундаментальное значение.
Во взаимодействии анкеров с бетоном основное значение имеет смятие бетона, при котором могут возникать существенные распорные усилия. Распорность растет вплоть до образования главных трещин, или трещин раскалывания [7].
Под главной трещиной следует понимать коническую трещину, характерную для круг-
лого анкера и возникающую на участке контакта анкера с бетоном под нагрузкой С увеличением нагрузки главная трещина растет и достигает бетонной поверхности, что в свою очередь вызывает выкалывание конуса бетона, поверхность которого «обозначена» трещиной раскалывания.
На основании экспериментальных исследований М. М. Холмянский выявил основные этапы работы сосредоточенных анкеров в зоне заделки [7]. К ним относятся: упругая стадия, развитие пластических деформаций до образования главных трещин, образование главных трещин, дальнейшее развитие пластических деформаций и нарушение заделки. Напряжения смятия под выступами анкера достигали в некоторых случаях двадцатикратной кубиковой прочности. Так возникла «гипотеза клина» - передача усилий от анкера на бетон за счет клина.
Для определения траектории сжимающих усилий, нагрузки, при которой образуются главные трещины, а также податливости заделки анкеров и поперечного давления используют теорию «условного клина».
С возникновением главных трещин в бетоне наблюдается нелинейное деформирование анкеров, которое связано с разрушающими процессами в бетоне.
В СГУПС на основании экспериментальных исследований [8] серий образцов установлена податливость заделки анкера в бетоне (экспериментальная зависимость «нагрузка - смещение анкера»). Податливость заделки была определена для двух серий образцов - для плиток размерами 150x150x60 мм. Образцы изготовлены из тяжелого и легкого бетона класса по прочности на сжатие В12,5 с сосредоточенными анкерами, заделанными на глубину к = 40 мм [8]. Была определена нагрузка, при которой появи-
лись главные трещины в заделке, Ncrc и несущая способность анкера Nu (нагрузка при разрушении заделки).
На основании проведенных экспериментальных исследований было установлено, что нагрузка, при которой возникают главные трещины для тяжелого и легкого бетона при осевом усилии выдергивания, составляет Ncrc =
= 1,6...2,0 кН.
Выкалывание конуса бетона при выдергивании стеклопластикового анкера из экспериментального образца происходило по криволинейной поверхности ABCD (рис. 2, а) [8].
Установлено, что коническая главная трещина в экспериментальных образцах появилась в основании конуса усиления [9] в точках В и С раньше образования радиальных трещин по поверхности плитки (см. рис. 2, б). Однако конкретного момента, при котором образовались радиальные трещины, определить не удалось.
Несущая способность заделки для образцов из тяжелого и легкого бетона N соста-
вила 5,13 и 4,34 кН соответственно [8]. Экспериментально установленные несущая способность заделки (прочностные характеристики) и нагрузка образования главных трещин являются первичными данными для оценки НДС методом конечных элементов на участке заделки стекло-пластиковых стержней, работающих на выкалывание [10-12].
Коническая форма анкера и круглое отверстие в опорной стальной пластине для его заделки (из-за чего реактивные усилия, передаваемые на свободную поверхность образца, симметричны относительно оси анкера) объясняют выбор осесимметричной расчетной модели. Расчетная область разбита на 1 405 кольцевых элементов, имеющих треугольный профиль сечения, 762 узла (рис. 3).
На свободной грани плитки заданы шар-нирно-подвижные связи, которые допускают радиальные перемещения и препятствуют продольным перемещениям (в направлении оси 7), что позволяет моделировать опирание
а)
1
L Г 1 у 0 90 1 Г j п 1
\ ц нЦ }
у- ' А ^
**
1 - 1
б)
* S / / I / \ 1 1 1 _ ] ч S ' JJ 4 / \ / \ у/ 1
\ 0 90/ \ / \ / i | ч 1 N [ 1 1 / f / / / : ✓ I [ "
150 ,
Рис. 2. Выкалывание бетона при выдергивании анкера из образца по поверхности конуса ЛБСБ (а), очертание радиальных трещин перед выкалыванием бетона (б)
исследуемого образца на шлифованную поверхность стальной опорной пластины.
Расчет проведен для момента образования главных трещин (см. рис. 3) на опорном торце образца при сдвигающем усилии в 1,6 кН и классе бетона по прочности на сжатие В12,5 для условно упругой работы заделки [8].
Контактная поверхность анкера разделена на три характерных участка - АВ, ВС и СО. На участке АВ сцепление нарушено по причине гладкой поверхности стеклопластикового стержня. Контактная нагрузка на этом участке отсутствует. На конусном участке ВС (участок усиления) принят полный контакт и задана равномерно распределенная поверхностная сдвигающая нагрузка в 2,6 МПа (рис. 4).
При сдвиге участок СО подступает к вышележащему конусному участку бетона ВС, заклинивается и включается в деформирование неполностью. Таким образом, на цилиндрическом участке СО, поверхностная сдвигающая нагрузка принята уменьшающейся от 2,6 МПа в точке С до нуля в точке О (см. рис. 2).
Суммарная сдвигающая нагрузка при этом равна 1,6 кН, что соответствует условному возникновению главных трещин в точке С на основании экспериментальных исследований.
По результатам расчета максимальные главные растягивающие напряжения Ст1 = 2,35 МПа образуются в точке С (см. рис. 3, а), а максимальные тангенциальные напряжения се = = 1,43 МПа - в точке А (см. рис. 3, б). Это соотносится с точками, в которых возникают и развиваются главная и радиальные трещины по результатам эксперимента (см. рис. 2), а также объясняет отставание по времени возникновения радиальных трещин от главной.
Выводы
На основе проведенных исследований можно утверждать, что численный способ оценки НДС заделки стеклопластиковой арматуры в виде коротких стержней в бетонной плитке позволяет определить трещиностой-кость заделки и смоделировать оптимальную форму сосредоточенных анкеров в многослойных стеновых конструкциях.
Рис. 3. Расчетная схема цилиндрического образца-плитки: 1 - бетонный образец; 2 - контактная поверхность сосредоточенного анкера; 3 - шарнирно-подвижные связи, моделирующие опирание плитки на стальную пластину; 4 - эпюры вертикальной поверхностной нагрузки, развивающейся по контактной поверхности
Рис. 4. Изолинии напряжений при выдергивании стеклопластикового анкера усилием 1,6 кН: а - главных растягивающих напряжений amt, МПа; б - тангенциальных напряжений сте, МПа
Список источников
1. Максимов С. П., Башкова Ю. Б., Вшивков Е. П. Экспериментальные исследования работы стеклопласти-ковой арматуры при армировании бетонных конструкций // Universum: технические науки. 2015. № 6 (18). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalnye-issledovaniya-raboty-stekloplastikovoy-armatury-pri-armirovanii-betonnyh-konstruktsiy (дата обращения: 29.01.2022).
2. Хозин В. Г. Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1. С. 214-220.
3. Теплова К. С., Киски С. С., Стрижкова Я. Н. Стеклопластиковая арматура для армирования бетонных конструкций // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 9 (24). С. 49-70.
4. Устинов О. В., Сулейманов Р. Д., Гурьева В. А. Проблемы применения композитной арматуры в строительстве // Открытая электронная библиотека научно-образовательных ресурсов Оренбуржья. URL: http://elib.osu.ru/handle/123456789/2559 (дата обращения: 29.01.2022).
5. Николюкин А. Н. Моделирование совместной работы арматуры с бетоном на примере композитной арматуры : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01. Ростов н/Д, 2021. 190 с.
6. Назаренко П. П. Контактное взаимодействие арматуры в бетоне в элементах железобетонных конструкций : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.01. М., 1998. 34 с.
7. Холмянский М. М. Бетон и железобетон. Деформативность и прочность. М. : Стройиздат, 1997. 576 с.
8. Астахов Ю. В. Экспериментально-расчетная оценка взаимодействия стальной канатной и стекло-пластиковой арматуры с бетоном : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01. Новосибирск, 2002. 120 с.
9. Мулин Н. М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. М. : Стройиздат, 1974. 232 с.
10. Карпенко Н. И., Судаков Г. Н., Лейтс Е. С. Моделирование механического взаимодействия арматурного стержня с бетоном, учитывающее напряженно-деформированное состояние контактной зоны //
Поведение бетонов и элементов железобетонных конструкций при воздействии различной длительности. М., 1980. С. 133-156.
11. Карпенко Н. И., Судаков Г. Н. Сцепление арматуры с бетоном с учетом развития контактных трещин // Бетон и железобетон. 1984. № 12. С. 42-44.
12. Карпенко Н. И. Общие модели механики железобетона. М. : Стройиздат, 1996. 416 с.
References
1. Maksimov S. P., Bashkova Yu. B., Vshivkov E. P. Experimental studies of the work of glass-plastic reinforcement when reinforcing concrete structures. Universum: technical sciences. 2015;(18). (In Russ.). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/eksperimentalnye-issledovaniya-raboty-stekloplastikovoy-armatury-pri-armirovanii-betonnyh-konstruktsiy.
2. Khozin V. G. Adhesion of polymer composite reinforcement with cement concrete. Izvestiya of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2013;(1):214-220. (In Russ.).
3. Teplova K. S., Kiski S. S., Strizhkova Ya. N. Fiberglass reinforcement for reinforcing concrete structures. Construction of unique buildings and structures. 2014;(24):49-70. (In Russ.).
4. Ustinov O. V., Suleimanov R. D., Guyeva V. A. Problems of using composite reinforcement in construction. Open Electronic Library of Scientific and Educational Resources of the Orenburg Region. (In Russ.). URL: http://elib.osu.ru/handle/123456789/2559.
5. Nikolyukin A. N. Simulation of the joint work of reinforcement with concrete on the example of composite reinforcement: dis. ... cand. tech. Sciences: 05.23.01. Rostov-on-Don; 2021. 190 p. (In Russ.).
6. Nazarenko P. P. Contact interaction of reinforcement in concrete in elements of reinforced concrete structures: author. dis. ... Dr. tech. Sciences: 05.23.01. M.; 1998. 34 p. (In Russ.).
7. Kholmyansky M. M. Concrete and reinforced concrete. Deformability and strength. M.: Stroyizdat; 1997. 576 p. (In Russ.).
8. Astakhov Yu. V. Experimental and computational assessment of the interaction of steel rope and glass-plastic reinforcement with concrete: dis. ... cand. tech. Sciences: 05.23.01. Novosibirsk; 2002. 120 p. (In Russ.).
9. Mulin N. M. Bar reinforcement of reinforced concrete structures. M.: Stroyizdat; 1974. 232 p. (In Russ.).
10. Karpenko N. I., Sudakov G. N., Leits E. S. Modeling of the mechanical interaction of a reinforcing bar with concrete, taking into account the stress-strain state of the contact zone. Behaviour of Concrete and Elements of Reinforced Concrete Structures under Exposure of Different Duration. M.; 1980:133-156. (In Russ.).
11. Karpenko N. I., Sudakov G. N. Adhesion of reinforcement with concrete taking into account the development of contact cracks. Concrete and reinforced concrete. 1984;(12):42-44. (In Russ.).
12. Karpenko N. I. General models of reinforced concrete mechanics. M.: Stroyizdat; 1996. 416 p. (In Russ.).
Информация об авторах
Ю. В. Астахов - кандидат технических наук, доцент кафедры «Здания, строительные конструкции и материалы» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Н. С. Пичкурова - кандидат технических наук, доцент кафедры «Здания, строительные конструкции и материалы» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Information about the authors
Yu. V. Astakhov - Candidate of Engineering, Associate Professor of the Buildings, Building Structures and Materials Department, Siberian Transport University.
N. S. Pichkurova - Candidate of Engineering, Associate Professor of the Buildings, Building Structures and Materials Department, Siberian Transport University.
Статья поступила в редакцию 01.02.2022; одобрена после рецензирования 02.02.2022; принята к публикации 07.02.2022.
The article was submitted 01.02.2022; approved after reviewing 02.02.2022; accepted for publication 07.02.2022.
