Дослідження ефективності використання вуглецевого волокна у залізобетонних прогонових будовах залізничних мостів

Вискребенцев В.Г.; Солдатов К. І.

_________________________________________ISSN 2227-1252

Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 5

МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА

УДК 624.271

В. Г. ВИСКРЕБЕНЦЕВ1*, К. І. СОЛДАТОВ2*

1 Галузева науково-дослідна лабораторія штучних споруд, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпропетровськ, Україна, 49010, тел. +38 (0562) 33 58 12

2 Каф. «Мости», Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка

В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дніпропетровськ, Україна, 49010, тел. +38 (096) 527 26 01, ел. пошта kim-kim@i.ua

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ВУГЛЕЦЕВОГО ВОЛОКНА У ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ПРОГОНОВИХ БУДОВАХ ЗАЛІЗНИЧНИХ МОСТІВ

Мета. У даній роботі представлено використання вуглецевого волокну у якості стержнів арматури для армування залізобетонної прогонової будови довжиною 13,5 м порівняно з прогоновою будовою аналогічної довжини, але з використанням звичайної арматури. Методика. Розрахунок ведеться за методикою, описаною у методичних вказівках при проектуванні та розрахунку залізобетонних прогонових будов з каркасно-зварної арматури. Результати. На основі приведеного дослідження була встановлена ефективність використання композитної арматури у якості робочої для армування нею прогонової будови. Наукова новизна. Доведена можливість використання композитної арматури у якості елемента, що працює на розтяг у прогонової будови. Практична значимість. Встановлення арматури такого типу дозволить знизити вартість прогонової будови та збільшити її термін експлуатації.

Ключові слова: вуглецеве волокно; каркасно-зварна арматура; композитна арматура

Вступ

Зараз у будівництві активно впроваджуються нові будівельні матеріали. Одним з таких матеріалів є композитна полімерна арматура на основі борних та вуглецевих волокон. Найяскравішими прикладами є проекти пішохідних мостів у країнах Європи, таких, як Нідерланди (Aberfeldy Footbridge) та Іспанія. Також такі проекти зустрічаються і у Росії, наприклад міст Багратіон у Москві та міст поблизу станції «Чертаново». На сьогоднішній день композитні будівельні матеріали застосовуються і в Україні, але великою проблемою залишається недосконалість нормативних документів щодо рекомендацій до проектування штучних споруд із застосуванням таких матеріалів.

Мета

Ця робота присвячена дослідженню можливості використання композитної полімерної арматури у якості робочої для типових прогонових будов, які широко застосовуються для будівництва мостів на залізницях України.

Методика

Розрахунок прогонової будови проводиться за методикою, розробленою на основі ДБН та відображена у методичних вказівках до проектування залізобетонної прогонової будови з каркасно-зварної арматури [1].

Спочатку задамося вихідними даними:

1) клас тимчасового навантаження - С14 (K = 14);

2) розрахунковий прогін - lp = 12,8 м;

3) клас бетону - В25;

4) клас арматури (плита баластного корита та ребро балки) - композитна арматура на основі вуглецевих волокон;

5) початкова товщина плити баластового корита - 15 см.

Вихідні параметри зображено на ескізі перерізу балки на рис. 1.

Далі визначаються згинальні моменти та поперечні сили, які діють на зовнішню та внутрішню консолі. Також ведеться підбір перерізів плити баластового корита.

16

_________________________________________ISSN 2227-1252

Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 5

МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА

Результати наведені у табл. 1.

Після перевірок параметрів плити баластового корита результати заносимо до табл. 2.

Після розрахунку та уточнення розмірів плити баластового корита переходимо до проектування та розрахунку головної балки.

Результати розрахунку наведені у табл. 3.

Рис. 1. Ескіз поперечного перерізу прогонової будови

Таблиця 1

Основні характеристики плити баластного корита

Параметр Арматура (метал) Композитна арматура

Робоча висота h0, см 12,62 8,46

Товщина плити (повна), hf, см 16 ds = 1,2 см 11 ds = 0,8 см

Площа робочої арматури, As 12,17 5,23

Кількість стержнів, ns 12 12

Площа робочої арматури (уточнена) 13,57 6,03

Таблиця 2

Основні перевірки плити баластного корита

Параметр Арматура (метал) Композитна арматура

Висота стиснутої зони бетону x, см 2,09 3,95

Умова: ( x / h0) <гу 0,156 < 0,66 0,46 < 0,482

Умова міцності бетону 3351,42 3391,67

Перевірка по поперечній силі за Rb 1365 1365

Перевірка по поперечній силі за Rbt 115,8 154,3

Висота стиснутої зони бетону, визначена за формулами пружного тіла без урахування розтягнутої зони бетону 6,23 3,5

Перевірка напруження у стисненому бетоні Перевірка напруження у розтягнутій арматурі 0,61 < 1,05 au = 2,6 см 10,07 < 14,08 0,165 > 1,05 29,15 < 76,7

Напруга у крайніх стержнях, кН/см2 10,82 45,47

Умова не розкриття тріщин 6,14 -10-6 см 0,0024 см

17

_________________________________________ISSN 2227-1252

Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 5

МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА______________________________

Таблиця 3

Основні розрахунки ребра головної балки

Параметр Арматура (метал) Композитна арматура

Робоча висота балки, см 95,5 95,5

Необхідна робоча висота таврового перерізу h0 114,13 95,24

Розрахункова ширина полки стиснутого поясу b' 209 209

Середня приведена товщина плити баластного корита, см h' 25 25

Перевірка положення нейтральної вісі Mmax = 415880 Вісь знаходиться в плиті 563778 562012

Площа арматури із розрахунку на міцність A“ц 169,8 65,8

Підбір кількості стержнів та уточнення As 14 стержнів 16 стержнів

Візьмемо арматуру діаметром 40 мм А-ІІІ та вуглецеве волокно діаметром 24 мм 175,924 см2 72,4 см2

Умова міцності: 474028 522314

Знаходимо нейтральну вісь через висоту стисненого бетону r , s 125,25 88,23

11782,82 5828

x' вісь знаходиться у ребрі 40,29 28,44

Момент інерції приведеного до бетону поперечного перерізу балки Ired 29582600 9885989

Максимальні стискальні напруги у бетоні ab 0,756 0,926

Максимальні розтягувальні напруги у робочій арматурі as 13,1 46,13

Міцність по стисненому бетону між нахиленими тріщинами Q 2312 2829

Поперечне зусилля в бетоні стиснутої зони ребра балки над кінцем нахиленого перерізу Qb 495,9 503,54

Перевірка поперечного перерізу балки по похилій тріщині за міцністю по поперечній силі Q 3042,4 3336,8

Умова міцності на згинальний момент 423518 453123

Напруга у крайніх стержнях, as кН/см2 1,23 1,82

Розрахункова ширина тріщини під навантаженням, acr < Acr = 0,02 5,110-5 3,410-5

Перевірка на розкриття повздовжніх тріщин abx 0,369 0,78

Результати

Провівши зрівняльний розрахунок та отримавши результати, можна зробити декілька висновків:

1. Згідно рекомендацій норм проектування з розрахунку товщини плити рекомендовано брати у межах від 1/12 до 1/15 від довжини розрахункового прогону залізобетонної прогонової будови зі звичайного залізобетону. У нашому

18

_________________________________________ISSN 2227-1252

Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 5

МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА

випадку довжина розрахункового прогону дорівнює 12,8 м, тобто рекомендована товщина плити повинна бути у межах від 8,5 см до 10 см. Однак в інших джерелах (БНіП) розрахункова товщина плити рекомендована братися не менше 15 см з умови розміщення арматури та забезпечення захисного шару. В зв’язку з цим для обох варіантів нами прийнята розрахункова товщина плити рівна 15 см.

2. Враховуючи, що композитна арматура, у основі якої полягає плетені нитки (волокна) вуглецю, має значно більший модуль пружності та розрахунковий опір, можна зробити висновок, що саме за рахунок цього ми значно можемо скоротити площу композитної арматури на основі вуглецевих волокон. Це підтверджує розрахунок на міцність, витривалість та тріщиностійкість. Якщо уточнена площа металевої арматури необхідна в плиті у кількості 12,17 см2 (12 стержнів діаметром 1,2 см), то для композитної арматури необхідна уточнена площа складає 5,23 см2.

3. При проведені зрівняльного розрахунку виявилось, що висота стиснутої зони бетону при розрахунках на міцність для композитної арматури з вуглецевого волокна більша, аніж при використані звичайної гладкої арматури А-І у плиті баластного корита. Таким чином можна зробити висновок, що при використанні тієї ж композитної арматури є можливість брати клас бетону менший, аніж заданий.

4. Несуча здатність, і, як наслідок, умова мі-

цності при розрахунку на міцність за згинальним моментом плити баластного корита у арматурі зі звичайної сталі марки А-І та у композитної арматури з вуглецевого волокна майже однакова: для звичайної арматури -

3351,42 кНсм, а для композитної арматури з вуглецевого волокна небагато більше - 3391,67 кНсм при дії зовнішнього згинального моменту, рівного 2974,2 кНсм. Як бачимо, різниця їх складає 1,18 %.

5. При розрахунку плити баластового корита на витривалість виявилось, що висота стисненої зони композитної арматури з вуглецевого волокна в цьому випадку відмінна від висоти стисненої зони бетону для звичайної арматури марки А-І, при чому відмінність для композитної арматури складає у 2 рази менше. Через це перевірка при розрахунку на витривалість для композитної арматури не виконується, і, таким

чином, необхідно збільшувати висоту стисненої зони бетону.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Приведений момент інерції для плити, армованої композитної арматурою із використанням вуглецевого волокна, в 5 разів менший, аніж для звичайної арматури марки А-І. Виходячи з цього, так як момент інерції підставляється у знаменник при розрахунку плити баластного корита та перевірки її на витривалість, момент інерції для композитної арматури потрібно збільшувати висоту стиснутої зони бетону, як було сказано у пункті 5. Це можливо зробити, знизивши клас бетону до класу В 20.

Провівши розрахунок можна уточнити розрахунки, які наведені у табл. 4. На основі перелічених вище висновків вносимо корективи до розрахунку: клас бетону зменшуємо до В20, перераховуємо робочу висоту, площу робочої арматури, коефіцієнти A0, а, r0 та y0, висоту стиснутої зони бетону при розрахунках на міцність та витривалість, приведений момент інерції перерізу плити. Висоту стиснутої зони бетону при розрахунку на витривалість назначаємо х' = 4,16 см, так як отримали її розрахунком зворотнім ходом. Для зручності цю частину було оформлено у табличному вигляді (див. табл. 4).

Наукова новизна та практична значимість

Даний розрахунок не має інших аналогів в Україні, та його результати підтверджують економічну доцільність використання композитної арматури. Економічна ефективність таких прогонових будов наведена у табл. 5.

Таблиця 5

Зрівняння вартості прогонових будов

Звичайна Композитна

Вартість арматура класів А-І та А-ІІІ з арматура з бетоном класу В 20

прогонової бетоном класу

будови, грн. В 25

44740 грн. 33696 грн.

Висновки

На основі вище перелічених розрахунків можна зробити такі висновки:

1. Застосування вуглецевого волокна зменшує інтенсивність постійного навантаження від власної ваги на 11 %; дає можливість зменшу-

19

_________________________________________ISSN 2227-1252

Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 5

МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА_____________________________________

вати товщину захисного шару бетону (арматура вої будови за рахунок відсутності корозії армане кородує); забезпечує довговічність прогоно- тури; застосовувати бетони нижчого класу.

Таблиця 4

Уточнені результати розрахунку

№ Параметр Арматура (метал) Композитна арматура Композитна арматура (уточнене)

1. Клас бетону В 25 В 25 В 20

2. Робоча висота h0, см 12,62 8,46 12,56

3. Робоча висота (уточнена) h0 13,38 8,58 12,58

4. Площа робочої арматури As 12,17 5,23 3,1

5. Кількість стержнів ns 12 12 10

6. Площа робочої арматури (уточнена) 13,57 6,03 5,03

7. Висота стиснутої зони бетону x, см 2,09 3,95 4,08

8. Умова: ( x / h0) <гу 0,156 < 0/66 0,46 < 0,482 0,43 < 0,5

9. Умова міцності бетону 3351,42 3391,67 3230,14

10. Перевірка напруження у стисненому бетоні аь 0,61 < 1,05 1,645<1,05 0,845 < 0,85

11. Перевірка напруження у розтягнутій арматурі os 10,07 <14,08 29,15 < 76,7 33,5 < 76,7

2. Арматура з вуглецевого волокна може зберігатись та перевозитись у бухтах на відміну від сталевої.

3. Відгини стержнів можна виконувати по дузі, що ніяким чином не впливає на несучу здатність.

4. З точки зору заводського виготовлення та сировинної бази на Україні та зокрема у Дніпропетровській області є можливим виготовлення виробів з використанням вуглецевого волокна та інших композитних матеріалів, тому такий параметр, як вартість не буде занадто принциповим.

5. Економічне зрівняння у табл. 5 показало, що при використанні різних класів бетону та різних типів арматури дешевшим є варіант з використанням композитної полімерної арматури на основі вуглецевого волокна, що є підтвердженням її ефективності.

6 Можна облегшити прогонову будову за рахунок утворення отворів (пустот) як в повздовжньому так і в поперечному напрямі.

7 У плиті можна застосовувати вуглецеве волокно малого діаметру (4 мм), що дає змогу збільшити висоту стисненої зони.

Всі ці позитивні фактори вказують на те, що з часом вуглецеве волокно може знайти своє належне місце в мостобудуванні і дозволити проектувати прогонові будови з терміном експлуатації до 200 років.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Борщов, В. И. Расчет железобетонного пролетного строения с каркасно-сварной арматурой под железную дорогу [Текст] / В. И. Борщов. -Днепропетровск : ДИИТ, 1999. - 56 с.

2. ДБН В.2.3-14:2006. Споруди транспорту. Мости та труби. Правила проектування [Текст]. - Чинні від 2007-02-01. - Київ : Мін. буд., архіт. та житл.-комун. госп-ва, 2006. - 359 с.

3. Сімамура, С. Углеродные волокна [Текст] : пер. з японс. / С. Сімамура - Москва : Мир, 1987.

4. Будницький, Г. А. Углеродные волокнистые материалы, применяемые в качестве армирующих наполнителей [Текст] / Г. А. Будницкий // Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева. 1989. - Т. 34. - № 5. - С. 438-446.

5. Хімічний портал ChemPort.Ru : [Електронний ресурс] - Режим доступу : http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_3 917.html

20

_________________________________________ISSN 2227-1252

Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика, 2014, № 5

МОСТИ ТА ТУНЕЛІ: ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, ПРАКТИКА

6. Вармастрой. Ремонт и усиления конструкций [Электронный ресурс] - Режим доступа : http ://www.varmastroy. ru/articles/item/3 7/

7. Полимерпортал России. [Электронный ресурс]. - Режим доступа :

http://www.polimerportal.ru/index.php/2008/11/po luchenie-uglerodnyx-volokon-i-ix-svojstva/

В. Г. ВЫСКРЕБЕНЦЕВ1*, К. И. СОЛДАТОВ2*

1 Отраслевая научно-исследовательская лаборатория искусственных сооружений, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (0562) 33 58 12

2 Каф. «Мосты», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (096) 527 26 01, эл. почта kim-kim@i.ua

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЯХ ЖЕЗЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Цель. В данной работе представлено использование углеродного волокна в виде композитной арматуры в качестве стержней арматуры для армирования железобетонного пролетного строения длиной 13,5 м в сравнении с пролетным строением аналогичной длины, но с использованием обычной арматуры. Методика. Расчет ведется по методике, описанной в методических указаниях при проектировании и расчете железобетонного пролетного строения с каркасно-сварной арматурой. Результаты. На основе приведенного исследования была определена эффективность использования композитной арматуры в качестве рабочей для армирования ею пролетного строения. Научная новизна. Доказана возможность использования композитной арматуры в качестве элемента, который работает на растяжение в пролетном строении. Практическая значимость. Установка арматуры такого типа позволит снизить стоимость пролетного строения и увеличить ее период эксплуатации.

Ключевые слова: углеродное волокно; каркасно-сварная арматура; композитная арматура

V. G. VYSKREBENTSEV1*, K. I. SOLDATOV2*

1 Laboratory of Artificial Structures, The Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan, 2 Lazaryana Str., Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.+38 (0562) 33 58 12

2 Dept. of Bridges, Dnipropetrovsk national university of railway transport named after academician V. Lazaryan,

2 Lazaryana Str., Dnipropetrovs’k, Ukraine, 49010, tel. +38 (096) 527 26 01, e-mail kim-kim@i.ua

RESEARCH OF EFFICIENCY OF USING CARBON FIBER IN ARNORED CONCRETE SPANS OF RAILWAY BRIDGES

Purpose. This work presents using carbon fiber as composite rebar by way of rods of fittings for reinforcement armored concrete span 13,5 meter length compared to same-length span with usual fixture. Methodology. The calculation is carried out as described in the methodological guidelines for the design and calculation of concrete span with frame-welded fittings. Findings. On the basis of the above study was to determine how the use of composite reinforcement as working for the reinforcement of its span. Originality. The possibility of using composite rebar as an element that works in tension in the span was proved. Practical value. Install valves of this type will reduce the cost of the span and increase its operating period.

Keywords: carbon fiber; frame-welded fittings; composite rebar

Стаття рекомендована до публікації д.т.н., проф. В. Д. Петренко (Україна), д.т.н., проф. А. І. Лантухом-Лященко (Україна).

Надійшла до редколегії 20.06.2014.

Прийнята до друку 02.07.2014.

21

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Вискребенцев В.Г., Солдатов К. І.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Вискребенцев В.Г., Солдатов К. І.

RESEARCH OF EFFICIENCY OF USING CARBON FIBER IN ARNORED CONCRETE SPANS OF RAILWAY BRIDGES

Текст научной работы на тему «Дослідження ефективності використання вуглецевого волокна у залізобетонних прогонових будовах залізничних мостів»