CC BY
12СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
Ата Эль-Карим Шоеаб Солиман, д-р философии Хелвен университет, Арабская Республика Египет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СРЕЗУ БАЛОК, АРМИРОВАННЫХ СТЕКЛОВОЛОКНОМ
Klyuyev@yandex.ru
Наличие стекловолокон в бетонных элементах с традиционным поперечным армированием (хомутами) может значительно повысить сопротивление срезу. Целью исследования является оценка этого эффекта. В статье представлены экспериментальные исследования железобетонных балок, включающих случайно расположенные стекловолокна. Варьируемыми параметрами являются расстояние между хомутами (50,75 и 100 мм) и весовой процент стекловолокон (0; 0,75 и 1,5). Результаты экспериментов показали, что сопротивление балок срезу существенно повышалось с увеличением процента содержания волокон. Этот эффект достигал 30 %. Хотя число трещин при наличии стекловолокон возрастало, они становились тоньше.
Ключевые слова: дискретное армирование стекловолокном, сопротивление срезу, трещины при срезе.
1. Введение
Бетон, армированный стекловолокном, представляет собой цементный композит и является относительно новым видом строительного материала, используемого нарастающими темпами в разных странах. Добавление стекловолокна к бетону повышает его прочность и долговечность. Этот материал получает широкое распространение, поскольку обладает преимуществами перед традиционным аналогом, среди которых меньший вес, устойчивость по отношению к влаге, высокая прочность на сжатие, низкая температурная деформация, высокая огнестойкость [1-14].
Проблема определения прочности на срез железобетонных балок, как известно, не решена до конца. Сопротивление срезу, предписанное различными нормами проектирования для особых сечений балки, может варьироваться более чем двумя факторами. Для изгиба гипотеза плоских сечений дает основу для универсальной, простой, рациональной теории сопротивления. В целях ее совершенствования можно провести простой эксперимент для железобетонных балок, подверженных чистому изгибу. Такой рациональной теории не существует для среза, а эксперименты для чистого среза железобетонных балок не осуществимы [7].
В то время как проведено много испытаний железобетонных балок на срез, такого рода экспериментов для фибробетонных образцов выполнено мало. Еще меньше испытаний для фиб-робетонных элементов по определению несущей способности на срез [13]. Теория пластичности бетона, используемая для балок с фибрами из
мягкой стали, предполагает пластическое поведение композита после образования трещин в матрице и высокое сопротивление на растяжение при раскрытии магистральной трещины.
Результаты исследований показали, что при образовании трещин среза предельное сопротивление на срез увеличиваются с возрастанием объема волокон и сопротивления бетона сжатию. Кроме того, при достаточном объеме волокон меняется характер разрушения - от сдвигового к изгибному [14].
Диагональное разрушение от среза железобетонных балок давно известно как хрупкое разрушение. Следовательно, большая безопасность обеспечивается уменьшением этого фактора.
Основная цель включения стальных фибр в бетон не преследует существенного увеличения сопротивления материала. Оно может быть увеличено более легко и экономично за счет арматуры, расположенной по направлению главных растягивающих напряжений. В то же время такая арматура не может противостоять микротрещинам. Для этого используется фибровое армирование. Добавление случайно ориентированных волокон в бетон помогает связыванию частиц бетона, задерживает трещины в хрупком бетоне и повышает механические свойства композита [10].
1. Цель исследования
Это исследование направлено на повышение сопротивления сдвигу железобетонных балок путем использования стекловолокна. Проведено сравнение сопротивления сдвигу при наращивании традиционного поперечного арми-
рования (хомутами) и при использовании дискретного армирования стекловолокном совместно с хомутами.
2. Эксперименты
2.1. Испытываемые образцы и исследуемые параметры
Были изготовлены пять железобетонных балок прямоугольного поперечного сечения 150x150 мм длиной 900 мм (рис. 1). Они разделены на две группы, в одной из которых варьируется расстояние между хомутами, в другой -весовой процент армирования стекловолокном
(табл. 1). Сопротивление бетона сжатию определялось как средняя величина при испытании трех кубиков 150x150x150 мм.
2.2. Процедуры испытаний
Нагрузка создавалась гидравлическим домкратом (550 кН), соединенным со стальной пространственной рамой (рис. 1, а). Четырехточечное нагружение при расстоянии 150 мм между точками приложения сил от домкрата (рис. 1, б) имело статическую природу. Все образцы ис-пытывались до разрушения при монотонном нагружении.
б
£1112
75
300
150
300
75
75
ЗП1в
750
75
а
Рисунок. 1. Установка (а) и схема нагружения образцов (б)
Таблица 1
_ Исследуемые параметры ^__
№ группы Образцы Содержание волокон, % Хомуты Главная стальная арматура Сжатая стальная арматура
Группа 1 (с хомутами) Б-15-Б - Б4@100мм 2Б16мм 2Б12мм
Б-15-Б1 - Б4@75мм 2Б16мм 2Б12мм
Б-15-Б2 - Б4@50мм 2Б16мм 2Б12мм
Группа 2 (с хомутами и волокнами) Б-15-Б 0 Б4@100мм 2Б16мм 2Б12мм
Б-15-01 0,75 Б4@100мм 2Б16мм 2Б12мм
Б-15-02 1,5 Б4@100мм 2Б16мм 2Б12мм
2.3. Свойства материалов и смешивание качестве заполнителя. Они были очищены, в том
Для железобетонных балок использовался числе от органических веществ. Заготовка всех портландцемент, натуральный песок и гравий в образцов велась при относительной влажности
95 %. Сухой песок и цемент смешивались механическим способом, а после добавления воды тщательно перемешивались. Эта операция продолжалась до получения массы однородного цвета. Бетон был помещен в формы с гладкими внутренними поверхностями, покрытыми маслом. Средняя величина сопротивления сжатию без стекловолокон составила 23 МПа, а при их наличии 0,75 и 1,5 % - 25 и 26 МПа соответственно.
Стекловолокна длиной 150 мм имели модуль Юнга 72 МПа, модуль сдвига 29,1 ГПа, предел прочности на растяжение 1600 МПа и предельные деформации растяжения 2,2% (по данным изготовителя).
2.4. Экспериментальное оборудование
Величина нагрузки регистрировалась на мониторе, соединенном с нагрузочной камерой. Производилось ступенчатое нагружение. Вертикальные перемещения балок регистрировались электрическими измерительными приборами. Один из них устанавливался в середине пролета, а другие на расстоянии от опоры, равном половине высоты сечения. Деформации в среднем сечении измерялись с помощью тензодатчиков. Измерение перемещений и деформаций производилось на каждой ступени нагружения.
3. Результаты экспериментов и их анализ
Как и ожидалось, все балки разрушались от среза. Процент увеличения нагрузки для балок и виды разрушения представлены в табл. 2. Как видно из таблицы, дискретное армирование стекловолокном увеличивает предельную несу-
щую способность железобетонных балок. Наибольшее возрастание достигает 30 %, когда насыщение волокнами составляет 1,5 %. С другой стороны, предельная несущая способность традиционных железобетонных балок увеличилась на 16 %, когда расстояние между хомутами равно 50 мм. Следовательно, использование дискретного армирования стекловолокном создает значительный эффект касающийся разрушающей нагрузки при отношении пролета к поперечному размеру, равном 5, и зоны среза к поперечному размеру, равном 2. В этих рамках влияние дискретного армирования стекловолокном на сопротивление срезу железобетонных балок нуждается в дальнейших экспериментальных исследованиях.
4.1. Кривые «нагрузка-перемещение»
На рис. 2 показана зависимость между нагрузкой и перемещением в середине пролета при различном шаге хомутов (группа 1) и различном проценте армирования стекловолокном (группа 2). В то время как увеличение процента армирования стекловолокном повышает жесткость балки (рис. 2, б), увеличение числа хомутов почти не создает такого эффекта (рис. 2, а). Кроме того, увеличение процента армирования стекловолокном увеличивает предельное перемещение (рис. 2, б) и оборачивается повышением податливости балки на сдвиг. С другой стороны, увеличение числа хомутов вызывает уменьшение предельного перемещения (рис. 2, а), и происходит хрупкое разрушение.
Предельное нагружение образцов
Таблица 2
Образцы Предельная нагрузка, кН Процент увеличения Форма разрушения
Б-15-8 50 контрольный Диагональный срез
Б-15-81 55 10 Диагональный срез
Б-15-Б2 58 16 Диагональный срез
Б-15-01 60 20 Диагональный срез
Б-15-02 65 30 Изгибный срез
а
/ ,г| .-о--О- ° - X
/ Л
г
ж7
Л у ••■»•- В-15-51
»V —х—В-15-82
ж' - -Ж- В-15-5
б
/ Г г—
р / /А
Г / / / / х ///
—о— В-15-С2
/ /
-л-В-15-01
1/ -х-В-15-82
перемещение, мм
перемещение, мм
Рисунок 2. Кривые «нагрузка-перемещение»: а - балки с различным шагом хомутов; б - балки с различным процентом стекловолокна
4.2. Деформации в середине пролета На рис. 3 представлено распределение деформаций в средних сечениях пяти балок
при различных нагрузках. Видно, что возрастание скорости деформации балки без стекловолокна падает после нагрузки, вызывающей
образование трещин. С другой стороны, скорость возрастания деформаций для балки со стекловолокном почти неизменна. Сравнивая распределение деформаций двух групп балок,
можно заметить, что бетон со стекловолокном ведет себя как однородный материал, так как деформации растяжения и сжатия примерно равны.
б
--в—5 кН ...... гокН
кН
деформация *Е-06 300 500
кН кН кН
^ деформация *Е-06
-100 100 300 500
а
Рисунок 3. Эпюры деформацш а - В-15- 81; в - В-15- 82; с - В
4.3. Очертания трещин и характер разрушения
На рис. 4 показаны очертания трещин и характер разрушения балок со стекловолокном и без него. Все балки разрушились от среза. Разрушающая нагрузка и характер разрушения представлены в табл. 2. По сравнению с образцами со стекловолокном разрушение балок с традиционным армированием выглядит как хрупкое разрушение. Очертания трещин для
1 в среднем сечении для балок: -15-8; а - Б-15-01; е - Б-15-02
всех пяти образцов почти одинаковы. В зоне среза формируются одна или две главные трещины и несколько второстепенных. Главные трещины распространяются от опор к точкам нагружения по мере роста нагрузки. В балках В-15-01 и В-15-02 наблюдаются закрытые и тонкие трещины. Наконец, установлено, что поверхность распространения трещин увеличивается в два раза с увеличением процента содержания волокон от 0 до 1,5.
Рисунок 4. Очертания трещин и
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ashour, S. A., and et al. Shear Behavior of High-Strength Fiber-Reinforced Concrete Beams // ACI Structural Journal. V. 89. - 1992. - № 2. - P. 176-184.
2. Altoubat, Salah, and et al. Shear Behavior of Macro-Synthtic Fiber-Reinforced Concrete without Stirrups // ACI Materials Journal. V. 106. -2009. - № 4. - P. 381-389.
3. Batson, G. and et al. Steel Fibers as Shear Reinforcement in Beams // ACI Journal. V. 69. -1972. - № 10. - P. 640-644.
4. Calogero Cucchiara and et al. Effectiveness of stirrups and Steel Fibers as Shear Reinforcement // Cement and Concrete Composites. V. 26. - 2004. - Issue 7. - P. 777-785.
5. Choi, Kyoung-Kyu, Park, Hong-Gun, Wight, James K. Shear strength of Steel Fiber-Reinforced Concrete Beams without Web Reinforcement // ACI Structural. V. 104. - 2007. - № 5. - P. 638-646.
6. Daniel Palermo and Frank J. Vecchio. Compression Field Modeling of Reinforced Concrete Sabjected to Reversed Loading: Formulation // ACI Structural Journal. V. 100. - 2003. - № 5. - P. 615-625.
7. Evan C. Bentz, and et al. Simplified Modified Compression Field Theory for Calculating Shear Strength of Reinforced Concrete Elements //
характер разрушения образцов
ACI Structural Journal. V. 103. - 2006. - № 4. - P. 614-624.
8. Khuntia, M. et al. Shear Strength of Normal and High-Strength Fiber Reinforced Concrete Beams without Stirrups // ACI Structural Journal. V. 96. - 1999. - № 2. - P. 282-289.
9. Shioya, T. and et al. Shear Strength of Large Reinforced Concrete Beams // ACI Structural Journal. V. 118. - 1990. - № 1. - P. 259-280.
10. Shah R.H. and et al. Crack and Deformation Characteristics of SFRC Deep Beams // IE (I) Journal. CV. Vol. 85. - 2004. - P. 44-48.
11. Shah S.P. and Naaman A.E. Mechanical Properties of Glass and Steel Fiber Reinforced Mortar // ACI Journal. V. 73. - 1976. - № 10. - P. 5053.
12. Voo Y.L. and Foster S.J. The Shear Strength of Steel Fiber Reinforced Ultra-high Performance Concrete Beams without Stirrups // 5th Intl Specialty Conference on fiber reinforced materials: 28-29 August 2008, Singapore.
13. Yoon-Keun Kawk and et al. Shear Strength of Steel Fiber Reinforced Concrete Beams without Stirrups // ACI Structural Journal. V. 99. -2002. - № 4. - P. 530-538.
14. Zararis, Prodromos D., Zararis, Ioannis P. Shear Strength of Reinforced Concrete Beams under Uniformly Distributed loads // ACI Structural Journal. V. 105. - № 6. - P. 711-719.
