CC BY
32
УДК 624.012.454
СЕЛИВАНОВА Е. О. СМЕРДОВ Д. Н.
Экспериментальные исследования ползучести в композиционных материалах, усиливающих изгибаемые железобетонные элементы
Селиванова
Екатерина
Олеговна
аспирант кафедры «Мосты и транспортные тоннели», ассистент кафедры «Мосты и транспортные тоннели» Уральского государственного университета путей сообщения (г. Екатеринбург)
e-mail:
EOSelivanova@mail.ru
Смердов Дмитрий Николаевич
кандидат технических наук, доцент кафедры «Мосты и транспортные тоннели», заведующий кафедрой «Мосты и транспортные тоннели» Уральского государственного университета путей сообщения (г. Екатеринбург)
e-mail: DSmerdov@usurt.ru
В статье представлены результаты экспериментальных исследований свойств ползучести в композиционных материалах, усиливающих изгибаемые железобетонные элементы. Получены графики изменения во времени относительных продольных и вязкоупругих деформаций элементов усиления в изгибаемых железобетонных конструкциях.
Ключевые слова: ползучесть, полимерный композиционный материал, относительные продольные и вязкоупругие деформации, закон Гука, модуль упругости.
SELIVANOVA E. O, SMERDOV D. N.
EXPERIMENTAL STUDY OF CREEP IN COMPOSITE MATERIALS, BENDING REINFORCEMENT CONCRETE ELEMENTS
The article presents the results of experimental research of creep properties in composite materials, reinforcement of bendable reinforced concrete elements. To obtain graphs of changes in time relative longitudinal and viscoelastic deformation of reinforcements inflexible reinforced concrete structures.
Keywords: creep, polymer composite material, relative longitudinal and viscoelastic deformation, Hooke's law, modulus of elasticity.
Композиционные материалы нашли широкое применение в отечественной строительной практике. Они применяются для усиления железобетонных конструкций эксплуатируемых сооружений, что связано, в первую очередь, с более высокими прочностными и деформативными характеристиками композитов по сравнению с традиционными материалами [1]. Технология усиления главных балок пролетных строений мостовых сооружений полимерными композиционными материалами применяется на автомобильных дорогах при выполнении работ по ремонту и капитальному ремонту искусственных сооружений. В зависимости от выбранной технологии производства работ усиление может выполняться с разгрузкой или без разгрузки пролетного строения от собственного веса. В случае с разгрузкой от собственного веса существует вероятность, что доля постоянной нагрузки на усиленные конструкции автодорожных мостов может составлять от 40 до 70 %. В результате этого композиционный материал усиления главных
балок будет находиться в постоянно напряженном состоянии, что может вызвать в них рост напряжений и возникновение ползучести. Существующие исследования говорят о том, что полимерные композиционные материалы имеют свойство ползучести, т. е. в них протекают во времени медленные деформации под воздействием постоянных нагрузок [2, 3]. В связи с этим актуальным вопросом является исследование свойств ползучести в элементах усиления изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных полимерными композиционными материалами.
В Уральском государственном университете путей сообщения (УрГУПС) проведены экспериментальные исследования, целью которых являлось изучение свойств ползучести в элементах систем внешнего армирования при длительном воздействии нагрузки. Опытными образцами служили непреднапряженные балки полной длиной 1 550 мм, прямоугольного поперечного сечения шириной 120 и высотой 220 мм (Иллюстрация 1). Проектный класс бетона всех балок по прочности В30,
Иллюстрация 1. Конструкция железобетонной непреднапряженной балки: 1 — рабочая арматура класса А111 0 10 мм; 2 — рабочая арматура класса А111 0 8 мм; 3 — поперечная арматура (хомуты) класса А1 0 6,5 мм. Авторы: Д. Н. Смердов, Е. О. Селиванова
А-А
120
— 1200 d h
1 1 1550
; лента FibArm Таре 230/300 углеродный анкерный жгут FibArm Anchor D12
А-А
J2QJ
1200 0
1550
нетканые полотна из площеных волокон FibArm Spread Tape 230/250 углеродный анкерный жгут FibArm Anchor D12
А-А
120 .
- I ,-J 1200 KL
1550
сетка FibArm Grid 600/1000 углеродный анкерный жгут FibArm Anchor 012
А-А
о
а
SO,
пента FibArm Таре 230/300
1200 J 550
ламель FibArm Lamel HS 14/50
A
Иллюстрация 2. Схемы усиления железобетонных образцов: а — ЖБ-Л; б — ЖБ-ПП; в — ЖБ-С; г — ЖБ-ЛАМ. Авторы: Д. Н. Смердов, Е. О. Селиванова
а
б
в
г
морозостойкости Б300, водонепроницаемости W6. Элементы арматурного каркаса расположены с учетом требований СП 35.13330.2011 [4].
Для усиления опытных образцов использовались полимерные композиционные материалы ИЬАгш Холдинговой компании «Композит». Для испытаний подготавливалась
одна группа образцов. Образцы делились на серии согласно виду материала усиления. В качестве контролируемых параметров принимались продольные относительные деформации элементов усиления в усиленных конструкциях и величина внешней нагрузки на конструкции. Для измерения абсолютных дефор-
маций элементов усиления использовались механические индикаторы с ценой деления 0,001 мм, установленные на базе 340 мм, обеспечивающие точность измерений величин относительных деформаций до 3,57 • 10-6, а также тензометрические датчики давления. Железобетонные конструкции усиливались на действие изгибающего момента по нижней грани на всю ширину ребра, серии «ЖБ-Л» в два слоя лентами FibArm Tape 230/300, серии «ЖБ-ПП» неткаными площеными полотнами FibArm Spread Tape 230/250 (FibArm Spread Tape 500/250), серии «ЖБ-С» углеродными сетками FibArm Grid 600/ 1000 с устройством углеродных анкерных жгутов FibArm Anchor D12 и серии «ЖБ-ЛАМ» ла-мелями FibArm Lamel HS 14/ 50 с устройством U-образных обойм в приопорных зонах из лент FibArm Tape 230/300 (Иллюстрация 2).
Уровень контролируемого нагру-жения образцов, усиленных композиционными материалами, при испытаниях на ползучесть был не ниже их расчетной несущей способности, определяемой с учетом рекомендаций СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования» [5]. Загружение образцов осуществлялось в лабораторных условиях на специализированном стенде с помощью механических нагружающих устройств. Требуемые усилия, прикладываемые на образцы при испытании их на длительные нагрузки (ползучесть), определялись по результатам испытаний контрольных образцов. Испытания основных образцов на ползучесть, усиленных полимерными композиционными материалами, проводились по схеме од-нопролетной балки на специально изготовленном стенде. Расчетный пролет балок составлял 1 265 мм. Для эффекта чистого изгиба в середине пролета нагрузка на балки передавалась через распределитель-
Иллюстрация 3. Графики изменения во времени относительных продольных деформаций элементов усиления в железобетонных конструктивных элементах. Авторы: Д. Н. Смердов, Е. О. Селиванова
Иллюстрация 4. Графики изменения во времени вязкоупругих деформаций элементов усиления в железобетонных конструктивных элементах. Авторы: Д. Н. Смердов, Е. О. Селиванова
Иллюстрация 5. Функциональная зависимость изменения модуля упругости элементов усиления на усиленных железобетонных образцах при длительном приложении нагрузки. Авторы: Д. Н. Смердов, Е. О. Селиванова
Таблица 1. Экспериментальные значения несущей способности контрольных образцов, усиленных композитными материалами
№ п/п Серия Номер образца P, кг Рср, кг P80%, кг
1 1 14 491,10
2 ЖБ-Л 2 15 295,80 15 098,57 12 078,85
3 3 15 508,80
6 1 13 449,70
7 ЖБ-ПП 2 14 526,00 13 762,23 11 009,79
8 3 13 311,00
6 1 8 158,00
7 ЖБ-С 2 9 660,00 8 522,00 6 817,60
8 3 7 748,00
6 1 24 751,00
7 ЖБ-ЛАМ 2 24 520,00 24 770,67 19 816,53
8 3 25 041,00
Таблица 2. Результаты испытаний элементов СВА на ползучесть
№ Серия Время с начала испытаний до стабилизации деформаций, t, сут е f ,о, 10-6 еf, (t), 10-6 £ f, КГ6
1 ЖБ-Л 166 3 935,77 478,76 4 414,53
2 ЖБ-ПП 7 376,47 497,35 7 873,82
3 ЖБ-С 5 073,53 698,53 5 772,06
4 ЖБ-ЛАМ 5011,31 840,47 5 883,29
ную траверсу, установленную на двух опорах с межосевым расстоянием 365 мм. Значения прикладываемых контролируемых усилий на образцы были не ниже 80 % от их фактической несущей способности, значения которых для каждой серии образцов определены по результатам испытаний контрольных образцов и представлены в Таблице 1.
Способ приложения нагрузок на основные образцы через две сосредоточенные силы. Длительность выдержки усиленных образцов под нагрузкой составляла не менее 1 000 часов. С помощью тензометри-ческого динамометра измерительного комплекса Spider8-PC производился контроль уровня нагружения каждого из образцов в процессе их за-гружения и дальнейшей выдержки. С целью минимизации влияния солнечного воздействия и перепадов температур на показания приборов в лаборатории ИЦ ТСЖТ УрГУПС с помощью стационарной установки охлаждения воздуха поддерживалась постоянная температура воздуха
+20 ± 2 °С, при этом отчеты с приборов снимались преимущественно ранним утром и поздним вечером. Для измерения температуры образцов в процессе испытаний использовался тепловизор Testo 881. Непосредственно перед загружением образцов по всем деформометрам были сняты нулевые отсчеты. Процесс загрузки испытываемых образцов осуществлялся плавно, без резких воздействий, с помощью винтовых домкратов. Испытания конструктивных элементов, усиленных композитными материалами, на ползучесть посредством выдержки их под длительными нагрузками осуществлялись до стабилизации вязкоупругих деформаций композиционных материалов. В процессе испытаний на ползучесть строились графики изменения во времени относительных продольных деформаций элементов усиления на усиленных конструкциях, пример которых представлен на Иллюстрации 3.
Функциональная зависимость между вязкоупругими деформаци-
ями и временем определялась с помощью регрессионного анализа, при этом все экспериментальные значения деформаций были проверены на согласованность с нормальным законом распределения с помощью критерия Колмогорова — Смирнова. Для детального анализа процесса изменения деформаций под воздействием длительно действующей статической нагрузки рассматривались исключительно вяз-коупругие деформации элементов усиления (Иллюстрация 4).
В Таблице 2 представлены величины относительных продольных деформаций элементов усиления, определенные в результате выдержки усиленных образцов композитными материалами под длительными нагрузками, таких как упругих (е у ,0) при кратковременном их загруже-нии, вязкоупругих (е^ / ()) в последние сутки выдержки и полных (еу) за все время выдержки.
На основе полученных результатов измерения относительных деформаций в элементах усиления
Таблица 3. Результаты определения длительного модуля упругости элементов СВА Еп на усиленных образцах
№ Серия Еу 0, ГПа е / ,0, 10-6 еу, , (?), Ю-6 Еу,1 (?). ГПа
1 ЖБ-Л 230 3 935,77 478,76 205,06
2 ЖБ-ПП 230 7 376,47 497,35 215,47
3 ЖБ-С 230 5 073,53 698,53 202,17
4 ЖБ-ЛАМ 170 5011,31 840,47 145,71
Примечание: Еу 0 — модуль упругости элементов усиления при кратковременном загружении усиленных образцов; е / о — величина относительных деформаций элементов усиления при кратковременном загружении усиленных образцов; еу I (?) — величина вязкоупругих относительных деформаций элементов усиления в последние сутки выдержки усиленных образцов под длительно приложенными нагрузками, t = 166; Еу / ) — модуль упругости элементов усиления в последние сутки выдержки усиленных образцов под длительно приложенными нагрузками, t = 166.
при длительном приложении нагрузок на усиленных образцах, которые представлены в Таблице 2, определены величины модуля упругости элементов усиления в составе усиленных конструкций при воздействии длительно приложенных нагрузок. Согласно закону Гука, модуль упругости элементов усиления при кратковременном загружении образцов определяется по формуле
Список использованной литературы
Еу ,0 =
3 у ,0 е у ,0
(1)
Еу ,1 (? ) =
е у ,0
е у
< (?)
еу ,0 + еу,1
(2)
1
Используя ранее полученный закон распределения относительных продольных деформаций при кратковременном загружении образцов, длительный модуль упругости элементов усиления определяется по формуле
3 у ,0 _ Еу ,0е у ,0
где Еу,0 и £у,0 — модуль упругости и относительные продольные деформации элементов СВА при кратковременном воздействии нагрузки;
ст у,0 — постоянная величина напряжений в контролируемом сечении;
еу I (?) — функциональная зависимость изменения величины относительных деформаций в элементах усиления во времени t.
На Иллюстрации 5 приведены функциональные зависимости изменения модуля упругости элементов усиления на усиленных конструкциях при длительном приложении нагрузки, построенные с использованием формулы (2). Результаты определения длительного модуля упругости элементов усиления Еп на усиленных образцах представлены в Таблице 3.
Заключение
Испытания образцов, усиленных полимерными композиционными материалами, показали, что в композиционных материалах, работающих в качестве элементов усиления в составе железобетонных конструкций, при их длительном статическом нагружении проявляется ползучесть. Испытаниями установлено, что процесс развития ползучести в элементах усиления конечен и стабилизируется в течение 120 суток. Для обеспечения стадии нормальной эксплуатации усиливаемых композиционными материалами железобетонных пролетных строений автодорожных мостов в расчетах по предельным состояниям рекомендуется учитывать значение модуля упругости элементов усиления с учетом возможного развития в них вязкоупругих деформаций в случае действия на них большой доли постоянных нагрузок.
Бокарев С. А., Смердов Д. Н. Полимерные композиционные материалы в транспортном строительстве // Транспорт Урала. 2016. № 1. С. 24-30. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. М. : Наука, 1988. 712 с.
Шевченко А. А. Физикохимия и механика композиционных материалов : учеб. пособие для вузов. СПб. : ЦОП «Профессия», 2010. 224 с. СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы». Актуализированная редакция 02.05.03-84. М. : Минрегион России, 2010. 341 с.
СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами». М. : Минстрой России, 2015. 51 с.
2
3
4
5
