CC BY
19
Деформативность бетона коротких сжатых элементов, усиленных внешним композитным армированием, при трех видах напряженного
состояния
П.П. Польской, С. В. Георгиев
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: В статье представлены результаты сопоставления средних опытных значений относительных деформаций тяжёлого бетона класса В30-35 - 8ь и вы, которые получены при испытании коротких сжатых стоек, усиленных внешним композитным армированием на основе углепластика. Варьировалось внешнее поперечное и продольное армирование, а также виды напряженно-деформированного состояния: условно центрально сжатые элементы (е0=0); элементы, загруженные при малых эксцентриситетах т. е. при е0=2,0см (0,16^ и больших е0=4,0см (0,32^. Дана оценка влияния различных вариантов композитного армирования на изменение напряженно-деформированного состояния бетона при трех значениях величины осевого эксцентриситета е0.
Ключевые слова: бетон, железобетон, арматура, опытные образцы, композит, сжатие, растяжение, относительные деформации.
Увеличение объемов промышленного производства требует резкого увеличения объемов капитального строительства. Последнее, в свою очередь, невозможно без использования новых видов конструкций, на основе новых видов современных строительных материалов и технологий выполнения строительно-монтажных работ.
Одновременно с ростом объемов строительства увеличиваются и объем затрат, необходимых для ремонта, восстановления и усиления существующих и вновь возводимых зданий и сооружений.
С учетом изложенного, в строительстве растет объем использования высокопрочных бетонов и железобетона на их основе. Всё шире используются композитные материалы для изготовления различного вида арматуры, которая применяется по двум направлениям. В качестве стержневой рабочей арматуры и внешней рабочей арматуры в виде тканей или полос (ламинатов), которые используется при усилении конструкций.
Исследование изгибаемых [1] и сжатых [2] железобетонных элементов, усиленных внешней композитной арматурой, за рубежом началось в конце
70-х и в начале 80-х годов прошлого столетия. В России активная фаза исследований в этом направлении началась в начале 21 столетия.
Начиная с 2006 года, комплексные исследования, связанные с инновационными технологиями, а также по исследованию высокопрочных бетонов и композитных материалов в качестве внутренней и внешней арматуры, начались в лаборатории кафедры железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного университета. В настоящее время, кафедра ЖБК в составе архитектурно-строительной Академии входит в состав Донского государственного строительного университета (ДГТУ).
В исследованиях [3,4] приведены предложения ученых кафедры по совершенствованию расчета сжатых железобетонных элементов из высокопрочного бетона. Использованию стержневой композитной арматуры в качестве внутренней-рабочей посвящены работы [5-7].
Исследование прочности изгибаемых элементов, усиленных внешней композитной арматурой, приведено в работах [8,9], а предложения по совершенствованию расчёта прочности, деформативности и ширины раскрытия трещин подробно отражены в работах [10-12].
Наибольшее количество работ, связано с исследованиями сжатых железобетонных элементов, имеющих различные варианты внешнего поперечного и продольного армирования, а также различную гибкость и величину эксцентриситета приложения нагрузки [13-16].
В данной статье нашло отражение сопоставления средних опытных значений относительных деформаций бетона еь или еь и еЬг на противоположных от линии приложения нагрузки гранях коротких опытных стоек, которые в зависимости от величины осевого эксцентриситета приложения нагрузки е0 бывают сжатыми или менее сжатыми, и сжатыми либо растянутыми.
Это необходимо для того, чтобы четко выделить тот или иной вид напряженно-деформированного состояния опытных образцов, который возникает при различных вариантах усиления и изменении величины осевого эксцентриситета.
Весь вопрос заключается в том, что в первой редакции Свода Правил по усилению железобетонных конструкций композитными материалами отсутствуют предложения по расчету усиленных конструкций, для случая малых эксцентриситетов приложения нагрузок, т. е. когда 0,3^
Однако такой случай расчета имеет место в любом многоэтажном монолитно-каркасном здании.
Ниже рассмотрены данные по деформативности бетона коротких железобетонных стоек с гибкостью А^=10 с одинаковыми размерами сечения 250x125^) и длиной 1200 мм, которые были изготовлены из тяжелого бетона класса В30-35.
Продольное стальное армирование стоек состояло 4012А500, а поперечное - из вязаных хомутов 06А240, расположенных с шагом 180 мм.
Результаты испытания по прочности и характеристика опытных образцов даны в табл. 1, а графики изменения относительной деформации бетона на сжатие (бы) или растяжение (бЫг) для различных вариантов усиления и величины осевого эксцентриситета (е0) - изображены на рис. 1-3.
Сопоставление графиков изменения относительных деформаций бетона на сжатой (бЫ1), менее сжатой (бЫ2), либо сжатой (бы) и растянутой (бы) гранях бетона для 9 различных вариантах композитного усиления, выполнено отдельно по каждому виду напряженно-деформированного состояния т. е. при эксцентриситетах (е0=0); е0=2,0см (0,16^ и е0=4,0см (0,32^.
Таблица № 1
Характеристика и результаты испытания эталонных и усиленных коротких опытных образцов с гибкостью А^=10, при эксцентриситетах приложения
нагрузки е0=0; 2,0 и 4,0 см.
Характеры стика опытных образцов Поряд ковый номер Шифр стоек Класс бетона В Вариант усиления Опытные значения
Прочно сть кН N; ^ Прогибы /хр,мм
1 2 3 4 5 6 7
Серия А. Осевой эксцентриситет е0=0. Сечение-250х125 ф) мм 10=1200мм, 1 АК 33,2 Эталон 1150 1,165
2 АКУ-Х1 30,0 ь f = 50 мм ; ^ f = 190 мм ; я = 140 мм 1190,5 0,4
3 АКУ-Хб 39,3 ь^ = 50 мм ; я у = 115 мм ; я = 65 мм 1600 2,54
4 АКУ-Х5 30,1 Ь/ = 720 мм (Обойма) 1625 0,7
5 АКУ- Х1Ьц 31,8 ЬJ = 50 мм; я у = 190 мм; я = 140 мм ;4 Ьц 1100 0,79
6 АКУ- Х^ц 30,1 ьJ = 50 мм ; я у = 190 мм ; я = 140 мм ; 408Яц 1379 1,82
Серия Б. Осевой эксцентриситет е0=2,0см. Сечение-250х125 ф) мм 10=1200мм. 7 БК 30,3 Эталон 592,5 5,2
8 БКУ-Х1 30,0 ь у = 50 мм ; 5 у = 190 мм ; 5 = 140 мм 778,9 7,5
9 БКУ-Х2 30,3 ьу = 50 мм ; я у = 145 мм ; ^ = 95 мм 794,7 5,4
10 БКУ- Х5 32,4 Ь/ = 720 мм (Обойма) 844,0 7,61
11 БКУ- Х2Ьс 32,4 Ьу = 50 мм; А'у = 145 мм ; £ = 95 мм 2-а углеламината в сжатой зоне: ь = 50 мм ; г = 1,4 мм 800,0 6,07
12 БКУ-Х^р 31,8 ьу = 50 мм ; я у = 190 мм ; я = 140 мм 2-а углеламината растянутой зоне: Ь = 50 мм; г = 1,4 мм 700,0 11,42
Серия В. Осевой эксцентриситет е0=4,0см. Сечение-250х125 ф) мм 10=1200мм. 13 ВК 33,2 Эталон 422,2 9,15
14 ВКУ-Х1 33,2 ь у = 50 мм ; = 190 мм ; £ = 140 мм 482,5 10,2
15 ВКУ-Х^р 33,2 ь у = 50 мм ; = 145 мм ; £ = 95 мм 2-а углеламината в растянутой зоне: ь = 50 мм ; г = 1,4мм 530 9,29
16 ВКУ-ХзЬр 39,4 ьу = 50 мм; = 190мм; Хомут в центре Ь;Г = 240 мм ; 2-а углеламината в растянутой зоне: ь = 50 мм; г = 1,4 мм 608 10,8
Для удобства анализа, в табл. 1 одновременно с шифром представлен порядковый номер опытных образцов. Отметим также, что оценка деформативности бетона осуществлялось методом прямого сопоставления
относительных деформаций бетона между эталонными и усиленными образцами.
Сжатые элементы при эксцентриситете е0=0
Рассматривая относительные деформации бетона, на противоположных (относительно размера ^ гранях (а) и (б) коротких стоек (рис. 1) можно отметить, что эталонные стойки (1), а также усиленные - (2) и (5), у которых хомуты - Х1 расположены с зазором б=140 мм (шагом Б/ =190 мм), имеют практически одинаковые значения относительных деформаций бетона на сжатие - бы. Это подтверждают данные по жесткости сжатых элементов при различных вариантах внешнего композитного армирования, приведенные в статье авторов настоящего сборника. Подтверждение получает то, что поперечные хомуты Х1 расположенные с указанным шагом, либо хомуты Х1 в сочетании с продольными элементами усиления, наклеенными на обоих гранях, практически не влияют на увеличение прочности. Графики зависимости К-бы для стоек (3) и (4) показывают, что относительные деформации бетона становятся значительно меньше, если зазор хомутов Х3 в свету уменьшается до 65 мм, либо если стойки усилены сплошной обоймой (вариант Х5). Следовательно, эффект влияния стесненных условий работы бетона проявляется в большей степени и приводит к увеличению прочности усиленных образцов.
Стойка (6), усиленная вклеиванием в штрабу 4-х стержней диаметром 8 мм в сочетании с поперечными хомутами Х1, показала практически одинаковые с эталонами образцами относительные деформации бетона на сжатие на противоположных относительно оси приложения нагрузки гранях. Незначительное различие для всех стоек серии А абсолютных значений относительных деформаций бетона (бы) на гранях а) и б), при эксплуатационных уровнях нагрузки, чётко подтверждает то, что нагрузка приложена только со случайным эксцентриситетом - е0.
Рис. 1. Сопоставление средних опытных значений относительных деформаций бетона на сжатие - еЬ1 и еЬ2 на противоположных гранях коротких стоек (^=10) в зависимости от величины нагрузки и вариантов композитного усиления при осевом эксцентриситете e0=0.
Сжатые элементы с малым эксцентриситетом е0=2,0 см (0,16Ь)
При сопоставлении относительных деформаций бетона для коротких стоек при e0=2 см (рис. 2), видно, что в отличие от условно центрально-сжатых элементов, влияние поперечного и продольного армирования проявляется уже по-разному. На грани а), расположенной ближе к оси приложения нагрузки, относительные деформации во всём диапазоне -только сжимающие. На противоположной грани - б) деформации на сжатие малы и постепенно переходят в растянутые - бь, начиная от уровня примерно равного 0,8^^. По-разному проявляется и влияние внешней продольной композитной арматуры. В частности, относительные деформации бетона на сжатие (бы) по граням а) и б) эталонной стойки (7) и стойки (12), которая имеет комбинированное усиление хомутами Х1 в сочетании с полосами-
ламинатами, продольно расположенными на менее сжатой (растянутой) грани, - отличаются незначительно.
б)
8ы* 10
!-4
-3
4-
+
+
7 бк
8 бку-х1
9 бку-х2
10 бку-х;,
11 бку-х2ьс
12 БКУ-х]ьр
8Ь*10 н-I
-3
и
-3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Рис. 2. Сопоставление средних опытных значений относительных деформаций бетона на сжатие - еъ (а) и растяжение - еЬ1 (б) на противоположных гранях коротких (А,ь=10) стоек в зависимости от величины нагрузки и вариантов композитного усиления при осевом эксцентриситете
ео=2,0см (0,1бИ)
Аналогичный вариант армирования с расположением продольной композитной арматуры усиления на более сжатой грани стойки приводит уже к некоторому увеличению несущей способности стойки (11). Стойки (9), (10), усиленные соответственно только поперечными хомутами Х1 с зазором 140мм; Х2 - зазор 95 мм; либо сплошной обоймой (вариант Х5), приводит к более резкому уменьшению относительных деформаций бетона на сжатой грани а) и практически до разрушения поддерживает сжимающие деформации на грани б), способствуя перераспределению напряжений. Следовательно, способствует и повышению несущей способности. Однако
уровень повышения несущей способности при одинаковом поперечном армировании ниже, по сравнению с элементами со случайными эксцентриситетами.
Следует отметить также, что, для коротких стоек А^=10 при и e0=0,16h, влияние гибкости становится заметным, но не критичным. Распределение относительных деформаций на разных гранях показывает, что при малых эксцентриситетах и гибкости А^<10, более эффективным остаётся вариант внешнего поперечного армирования.
Сжатые элементы с большим эксцентриситетом (е0=4см=0,32Ь).
Графики зависимости значений относительных деформаций ев и от величины нагрузки - N для коротких стоек, загруженных с большими эксцентриситетами е0=4,0см или 0,32^ приведены на рис. 3. Как не трудно заметить, указанные опытные образцы имеют уже четко выраженную двухзначную эпюру относительных деформаций, т.е. сжатую - а) и растянутую - б) зоны.
Следовательно, речь идет о несущей способности сжато-изонутых элементов с расчетом по нормальным сечениям. Поэтому, ниже, относительные деформации бетона рассматриваем отдельно для сжатой -вв и растянутой - 8в1 зон.
Короткая эталонная стойка (13) показывает наибольшие относительные деформации на сжатие. Несколько меньше значения ев имеют стойки (14) и (15), усиленные только поперечными хомутами Х1 или хомутами Х1 в сочетании с продольным армированием растянутой грани. Обособленно меньшие деформации показал образец (16) с поперечным широким хомутом Х3, установленном в центре высоты стоек в сочетании с продольным композитным армированием растянутой грани.
( 5) 600 -1 V г 1\!,к и © У а )
\ у \ 500 -\\ \д 450 - 'МПП ; / ©
ста / / ; / у ©
! / / / / / У - 1
т •кп / / / / ■
\ 4, / / /
- / 1 /У У / / /
\ и 1 с л 1 / У/ У/ 13 вк
' У У/ 14 вку-хх
15 вку-хлР
\1! / 16 вку-хЗьР
*10 -3 - 100 50 —0— ш ' ' / ! / /
—; — - - ' / ¡/ £- - - :- --- - еь*10 --;--
-3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Рис. 3. Сопоставление средних опытных значений относительных деформаций бетона на сжатие - еь (а) и растяжение - еь (б) на противоположных гранях коротких (А,ь=10) стоек в зависимости от величины нагрузки и вариантов композитного усиления при осевом эксцентриситете
ео=4,0см (0,32И).
Относительные деформации на растяжение в оказались попарно одинаковыми. Наибольшие они в образцах (13) и (14), которые усилены только внешней поперечной арматурой. Наименьшие значения в имели образцы (15) и (16), имеющие усиление внешней продольной композитной арматурой в сочетании с поперечными хомутами, которые при наличии больших эксцентриситетов выполняют роль анкеров для продольной арматуры. С учетом проведенного анализа о влиянии различных вариантов внешнего композитного армирования на изменение относительной деформаций бетона при изменении эксцентриситета приложения нагрузки, можно сделать следующие выводы:
1. Относительные деформации бетона, зафиксированные на наружных гранях опытных образцов при трех значениях величины осевого эксцентриситета, показали четкое изменение напряженно-деформированного состояния, как эталонных, так и усиленных внешним композитным армированием опытных образцов. Это состояние полностью соответствует существующей классификации: условно центрально сжатые или элементы со случайным эксцентриситетом (е0=0); элементы, работающие с малыми (е0=0,16^ и большими (е0=0,32^ эксцентриситетами.
2. Варианты усиления, при которых опытные образцы показали наименьшее значение относительных деформаций на сжатие (ев) и растяжение (£в(), соответствуют наибольшей жесткости в вариантах усиления и, соответственно, наибольшей прочности опытных образцов.
3. При осевом приложении нагрузки (е0=0) критерием оценки эффективности вариантов усиления являются относительные деформации бетона на сжатие - вв, а при е0=0,32h - относительные деформации бетона на
растяжение - 8в1, что соответствует положениям Свода Правил по усилению конструкций композитными материалами.
4. Наименьшие относительные деформации на сжатие - (£в) показали опытные образцы, усиленные поперечной обоймой при е0=0, а на растяжение (£т) -образцы усиленные внешней продольной арматурой при е0=0,32к
5. При эксцентриситете приложения нагрузки е0=0,16h наибольшую жесткость элементов усиления и наименьшие относительные деформации бетона на более сжатой грани (ев), также показали образцы, усиленные внешней поперечной обоймой. Однако, эффективность работы этой обоймы ниже, по сравнению с центрально нагруженными элементами. Продольное армирование при гибкости стоек А^=10 заметной роли не оказывает.
Литература
1. Zhang Ai-hui, Jin Wei-liang, Li Gui-bing. Behavior of preloaded RC beams strengthened with CFRP laminates // Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2006. Vol. 7. №3. pp. 436-444 URL: link.springer.com/article/10.1631/jzus.2006.A0436.
2. Mander J. B.; Priestley M. J. N., Park Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete // Journal of Structural Engineering. Vol. 114. №8. 1988. URL: doi.org/10.1061/ (ASCE) 0733-9445(1988)114:8(1804).
3. Мкртчян А.М., Маилян Д.Р. Расчет железобетонных колонн из высокопрочного бетона по недеформированной схеме // Научное обозрение. 2013. № 11. С. 72-76.
4. Мкртчян А.М., Аксенов В.Н., Маилян Д.Р., Блягоз А.М., Сморгунова М.В. Особенности конструктивных свойств высокопрочных бетонов // Новые технологии. 2013. № 3. С. 135-143.
5. Маилян Д.Р., Польской П.П., Мерват Х., Кургин К.В. О прочности балок из тяжелого бетона при использовании стальной, углепластиковой и комбинированной арматуры, расположенной в два ряда // Инженерный вестник Дона. 2013. №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2096.
6. Маилян Д.Р., Польской П.П., Мерват Х., Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры // Инженерный вестник Дона. 2013. №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2094.
7. Польской П.П., Хишмах М., Михуб А. О возможности использования круглых углепластиковых стержней в качестве рабочей арматуры для изгибаемых элементов // Научное обозрение. 2012. №6. С. 211-213.
8. Польской П. П., Маилян Д. Р., Шилов А. А., Меретуков З. А. Армирование и схемы испытания наклонных сечений балок с внешним композитным усилением // Новые технологии. 2015. № 4. С. 44-48.
9. Polskoy P.P., Mailyan D.R., Dedukh D.A., Georgiev S.V. Design of reinforced concrete beams in a case of a change of cross section of composite strengthening reinforcement // Global journal of Pure and Applied mathematics. 2016. V.12. №2 pp.1767-1786 URL: ripublication.com/gjpam16/gjpamv12n2_50.pdf.
10. О расчете ширины нормальных трещин балок, усиленных стекло и углепластиком // Маилян Д.Р., Польской П.П. Научное обозрение. 2014. № 12. С. 490-492.
11. Об уточнении расчетов прогибов балок, усиленных композитными материалами. Польской П.П., Маилян Д.Р. Научное обозрение. 2014. № 12. С. 493-495.
12. Muradyan V., Mailyan D., Lyapin A., Chubarov V. Energy-efficiency increase of reinforced concrete columns with recessed working fittings // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 19. "Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport, EMMFT 2017" 2017. p. 012032.
13. Польской П.П., Георгиев С.В. О программе исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами на основе углепластика // Научное обозрение, 2014, №10-3, с. 662-666.
14. Польской П.П., Георгиев С.В. Характеристики материалов, используемых при исследовании коротких и гибких стоек, усиленных углепластиком // Научное обозрение, 2014, №10, ч.2. с. 411-414.
15. Маилян Д.Р., Польской П.П., Георгиев С.В. Конструкция каркасов и схемы испытания опытных стоек, усиленных углепластиком // Научное обозрение, 2014, № 10-3, с. 667-670.
16. Маилян Д.Р., Польской П.П., Георгиев С.В. Методики усиления углепластиком и испытания коротких и гибких стоек // Научное обозрение. 2014, №10, ч.2. с.415-418.
References
1. Zhang Ai-hui, Jin Wei-liang, Li Gui-bing. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2006. Vol. 7. №3. pp. 436-444 URL: link.springer.com/article/10.1631/jzus.2006.A0436.
2. Mander J. B.; Priestley M. J. N., Park R. Journal of Structural Engineering. Vol. 114. №8. 1988. URL: doi.org/10.1061/ (ASCE) 0733-9445(1988)114:8(1804).
3. Mkrtchjan A.M., Mailjan D.R. Nauchnoe obozrenie. 2013. № 11. pp. 72-76.
4. Mkrtchjan A.M., Aksenov V.N., Mailjan D.R., Bljagoz A.M., Smorgunova M.V. Novye tehnologii. 2013. № 3. pp. 135-143.
5. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P., Mervat H., Kurgin K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4.URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2096.
6. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P., Mervat H., Kurgin K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2094.
7. Pol'skoj P.P., Hishmah M., Mihub A. Nauchnoe obozrenie. 2012. № 6. pp. 211-213.
8. Pol'skoj P. P., Mailjan D. R., Shilov A. A., Meretukov Z. A. Novye tehnologii. 2015. № 4. pp. 44-48.
9. Polskoy P.P., Mailyan D.R., Dedukh D.A., Georgiev S.V. Global journal of Pure and Applied mathematics. 2016. V. 12. №2. pp. 1767-1786. URL: ripublication.com/gjpam16/gjpamv12n2_50.pdf.
10. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P. Nauchnoe obozrenie. 2014. № 12. pp. 490-492.
11. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R. Nauchnoe obozrenie. 2014. № 12. pp. 493-495.
12. Muradyan V., Mailyan D., Lyapin A., Chubarov V. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 19. "Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport, EMMFT 2017" 2017. p. 012032.
13. Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie, 2014, №10-3, pp. 662666.
14. Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie, 2014, №10, ch.2. pp.411-414.
15. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie. 2014. № 10-3. pp. 667-670.
16. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie. 2014, №10, ch.2. pp. 415-418.
