CC BY
105
ВЕСТНИК 1/2014
1/2014
УДК 539.3
А.Е. Лапшинов
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СПА И БПА НА СЖАТИЕ
Приведены результаты исследования работы стеклопластиковой (СПА) и ба-зальтопластиковой (БПА) арматур на сжатие при испытаниях с различной рабочей зоной. Проанализированы результаты испытаний и механизмы разрушения образцов. Даны выводы и предложения об использовании композитной арматуры.
Ключевые слова: композитная арматура, прочность на сжатие, текучесть, стержень, стеклопластиковая арматура, базальтопластиковая арматура.
В зарубежных странах существуют не только нормы и рекомендации по применению неметаллической арматуры, но и нормы по ее испытаниям [1—8]. В нашей стране отсутствуют подобного рода нормативные документы, а те, что есть (ТУ, СТО и т.д.) являются недоработанными и несут в себе мало информации. В советский период времени был разработан ГОСТ 4651—82 «Пластмассы. Метод испытания на сжатие» [9], однако он больше относился к конструктивным пластмассам, чем к стержням арматуры. В американских нормах по испытаниям композитов [2], обновленных в 2012 г., так же нет методов испытаний композитной арматуры на сжатие. В нашей стране нормы по испытаниям композитов находятся в разработке, однако существует вполне определенный интерес к свойствам композитной арматуры в этой области [10].
В отдельных зарубежных нормах [1—5] не рекомендуется использовать композитную арматуру в качестве сжатой ни в колоннах, ни в сжатых элементах, ни даже в качестве сжатой в изгибаемых элементах. Допускается для растянутой арматуры испытывать сжатие из-за изменения знаков моментов или изменений в характере нагрузки. Тем не менее, прочностью на сжатие композитной арматуры не стоит пренебрегать. Необходимы дальнейшие исследования в этой области.
Для исследования работы композитной арматуры на сжатие были взяты образцы стеклопластиковой арматуры (СПА) фирмы «Армастек» и базальто-пластиковой арматуры (БПА) фирмы «Лиана». Все образцы имели диаметр 12 мм. Для испытаний были изготовлены следующие образцы:
1) высотой 1А, ЗА и 5А;
2) стержни общей длиной 16 см с рабочей зоной 4 см. Длина стержней в захватах испытательной машины составляла по 6 см;
3) стержни общей длиной 16 см с обмоткой в зоне захватов, изготовленные в заводских условиях.
Таким образом, образцы 1-й серии имели шарнирное закрепление на концах, а образцы 2 и 3-й серии имели жесткое защемление по концам в соответствии с ГОСТ 4651—82.
Изготовленные для испытаний образцы приведены на рис. 1. Испытания проводились в лаборатории МГСУ на испытательных машинах 8802 и
3382.
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве УЕБТЫНС
_мвви
а б в
Рис. 1. Вид образцов СПА после разрушения: а — с h = 1d; б — с h = 3d; в — с h = 5d
Предел прочности при сжатии рассчитывался по формуле 4P
пЗ2
где Р — разрушающая нагрузка при сжатии; й — номинальный диаметр. Результаты испытаний представлены в таблице.
(1)
Результаты испытаний композитной арматуры на сжатие
№ п/п Тип арматуры Высота образца (длина), мм № п/п Диаметр образца, мм Разрушающая нагрузка, кН Предельные напряжения, МПа Предельные деформации, % Начальный модуль упругости, МПа
1 БПА 1d 10,3 1 12,0 9,4 83,1 1,19 8838
9,75 2 12,0 43,7 386,7 7,77 9847
10,0 3 12,0 6,4 56,7 1,1 8732
3d 34,0 1 12,0 35,3 311,7 2,4 15594
34,0 2 12,0 20,8 183,7 2,73 14048
33,5 3 12,0 30,5 270,0 1,95 15454
5d 58,5 1 12,0 39,99 353,6 2,0 22154
58,0 2 12,0 28,5 251,7 1,55 20135
57,0 3 12,0 29,9 264,1 1,62 19858
2 СПА 1d 10,5 1 12,0 43,7 387,6 7,77 9854
10,5 2 12,0 23,2 244,3 4,98 7321
10,5 3 12,0 34,0 357,5 8,39 8322
3d 34,0 1 12,0 33,4 351,8 2,25 19578
34,0 2 12,0 27,6 290,3 2,65 19215
34,0 3 12,0 25,8 271,7 1,48 19139
5d 59,0 1 12,0 12,5 131,5 9,59 9094
61,0 2 12,0 29,3 308,1 1,28 29543
60,0 3 12,0 36,5 384,5 1,74 28965
3 БПА 160 37,0 1 12,0 24,5 219,1 1,8 13934
160 36,0 2 12,0 25,46 225,3 2,0 14050
160 38,0 3 12,0 26,95 238,5 2,2 14256
4 СПА 160 38,0 1 12,0 24,8 219,0 2,2 13235
160 35,0 2 12,0 27,1 239,7 2,1 14219
160 34,0 3 12,0 27,3 241,2 3,1 12041
ВЕСТНИК
МГСУ-
1/2014
Окончание табл.
№ п/п Тип арматуры Высота образца (длина), мм № п/п Диаметр образца, мм Разрушающая нагрузка, кН Предельные напряжения, МПа Предельные деформации, % Начальный модуль упругости, МПа
СПА с ушире- 160 50,0 1 12,0 19,8 174,8 4,0 13153
5 ниями в зоне за- 160 59,0 2 12,0 38,9 343,9 3,0 17530
хватов 160 57,0 3 12,0 10,8 95,6 2,0 14299
Анализ результатов испытаний показывает:
временное сопротивление сжатию образцов БПА с высотой Ы составляет от 56,7 до 386,7 МПа при деформации от 1,1 до 7,77 % и модуле упругости от 8732 до 9847 МПа. Временное сопротивление сжатию образцов СПА с высотой равной Ы составляет от 244,3 до 387,6 МПа при деформации от 4,98 до 8,39 % и модуле упругости от 7321 до 9854 МПа;
временное сопротивление сжатию образцов БПА с высотой 3d составляет от 183,7 до 311,7 МПа при деформации от 1,95 до 2,73 % и модуле упругости от 14048 до 15594 МПа. Временное сопротивление сжатию образцов СПА с высотой равной 3d составляет от 271,7 до 351,8 МПа при деформации от 1,48 до 2,65 % и модуле упругости от 19139 до 19578 МПа;
временное сопротивление сжатию образцов БПА с высотой 5d составляет от 251,7 до 353,6 МПа при деформации от 1,55 до 2,0 % и модуле упругости от 19858 до 22154 МПа. Временное сопротивление сжатию образцов СПА с высотой 5d составляет от 131,5 до 384,5 МПа при деформации от 1,28 до 9,59 % и модуле упругости от 9094 до 29543 МПа;
временное сопротивление сжатию образцов СПА с рабочей зоной 40 мм составляет от 219,0 до 241,2 МПа при деформации от 2,1 до 3,1 % и модуле упругости от 12041 до 14219 МПа;
временное сопротивление сжатию образцов СПА с намоткой в зоне зажимов составляет от 95,6 до 343,9 МПа при деформации от 2,0 до 4,0 мм и модуле упругости от 13153 до 17530 МПа.
Анализ результатов показывает, что деформативность образцов уменьшается с увеличением высоты образцов, равно как увеличивается и значение временного сопротивления.
Характер разрушения образцов отличался в зависимости от вида образцов. Так, у образцов с высотой 3d и 5d разрушение происходило из-за потери устойчивости волокон (см. рис. 1, б, в) после разрушения связующего. У образцов с высотой Ы разрушение происходило из-за поперечного разрыва (см. рис. 1, а). Разрушение образцов с обЩей длиной 16 см наступал° вслед- разца СПА с намоткой в зоне за-ствие поперечного среза стержня (рис. 2). жимов и рабочей зоной 40 мм
1
Рис. 2. Вид испытанного об-
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве
VESTNIK
JVIGSU
Разрушение образцов 2-й серии сопровождалось «перекусом» образца в захватах вследствие низкого модуля упругости материала, а также малого сопротивления на поперечный срез (рис. 3). Образцы же 3-й серии имели жесткую недеформируемую намотку в зоне захватов, чем объясняются несколько более высокие результаты, чем у образцов 2-й серии.
Рис. 3. Вид испытанных образцов СПА (сверху) и БПА (снизу) с рабочей зоной 40 мм
Сравнительная диаграмма сжатия композитной и традиционной стальной арматур (рис. 4, 5) показывает, что композитная арматура не имеет площадки текучести, но имеет меньшее значение временного сопротивления, большее значение деформативности и низкий модуль упругости.
»Стздьмая арматура А600С ■Образец С ПА г г -! г: -- Образец СПА с I- гс
■ — " " — " ' ---Образец С пд с И с1
— ' «ОбразецСПА с уШйречнАМИ в зоче зажимов 01 456 7 1 ) И Ц И
Деформации, %
Рис. 4. Сравнительная диаграмма сжатия образцов СПА и традиционной стальной арматуры класса А600
- (тал •■n.i- арюа гуралнгсс
--Образец БПА t ft*Id
■ Образец БПА с h=3ri
— — Образец БПА с b-5id
а п и !1 б I в в 1011121э 151617¿глзгл 1ЫЫ?1яг9
Деформации, %
Рис. 5. Сравнительная диаграмма сжатия образцов БПА и традиционной стальной арматуры класса А600
ВЕСТНИК 1/2014
1/2014
Для оценки и сопоставления пределов прочности композитной арматуры на сжатие и растяжение также были проведены испытания образцов на растяжение. Результаты испытаний показывают, что прочность образцов композитной арматуры на растяжение составляет 900.. .1000 МПа при модуле упругости 50...55 ГПа.
Выводы и предложения:
1) СПА и БПА имеют среднее значение временного сопротивления на сжатие 271,5 и 240,1 МПа соответственно. Временное сопротивление образцов СПА и БПА на сжатие оценивается в 25.30 % от прочности на растяжение;
2) деформативность композитной арматуры при испытаниях на сжатие оценивается 1,28.8,39 и 2,0.7,77 % соответственно в зависимости от вида образцов;
3) испытанная композитная арматура не имеет предела текучести, отличается хрупкостью при разрушении и имеет низкий модуль упругости на сжатие. Модуль упругости образцов СПА и БПА на сжатие оценивается порядка 50 % от модуля упругости на растяжение;
4) необходимы дальнейшие исследования в этой области. Считаем целесообразным провести дальнейшие испытания композитной арматуры совместно с бетоном путем изготовления бетонных призм армированных СПА и БПА.
Библиографический список
1. ACI 440.1R—06. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. ACI Committee 440, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich. 2006, 44 p.
2. ACI 440.3R—04. Guide for Test Methods for Fiber Reinforced Polymers (FRP) for Reinforcing and Strengthening Concrete Structures. ACI Committee 440, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich. 2004, 40 p.
3. CNR-DT 203/2006, 2006. Istruzioni per la Progettazione, l'Esecuzione e il Controllo di Strutture di Calcestruzzo armato con Barre di Materiale Composito Fibrorinforzato (in Italian).
4. CAN/CSA-S6-02, 2002. Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers, CAN/CSA S806-02, Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario, Canada, 177 p.
5. Fib Bulletin #40. FRP reinforcement in RC structures. 147 p.
6. ASTM D6641 / D6641M—09. Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture.
7. ASTM D3410 / D3410M—03, 2008. Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading.
8. ASTM D695—10. Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics.
9. ГОСТ 4651—82 (СТ СЭВ 2896—81). Пластмассы. Метод испытания на сжатие.
10. Исследование прочности и устойчивости однонаправленных стеклопла-стиковых стержней при осевом сжатии / А.Н. Блазнов, В.Ф. Савин, Ю.П. Волков, В.Б. Тихонов // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. Т. 13. № 3. С. 426—440.
Поступила в редакцию в сентябре 2013 г.
Об авторе: Лапшинов Андрей Евгеньевич — аспирант, ассистент кафедры железобетонных конструкций, Московский государственный строительный уни-
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве УЕБТЫНС
_мвви
верситет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, La686@yandex.ru.
Для цитирования: ЛапшиновА.Е. Исследование работы СПА и БПА на сжатие // Вестник МГСУ 2014. № 1. С. 52—57.
A.E. Lapshinov
THE EXPERIMENTAL RESEARCH OF GFRP AND BFRP OPERATION UNDER COMPRESSION
In the foreign countries there are not only design guidelines but also standards for testing FRP materials. These codes do not recommend using FRP bars in compressive members, such as columns. But the compressive strength shouldn't be neglected according to those design codes. In our country the standards for FRP testing and design codes are just in the process of development.
This paper contains the results of a compression testing of GFRP and BFRP with different configurations. The proposed height of the specimen was 1d, 3d and 5d. The results of the tests and failure mechanisms of the samples are discussed. The author also gives strain distribution in dependence with the specimen type. The conclusions and proposals for the use of FRP reinforcement in compression are offered. One of the main conclusions is that with the height increase the compressive strength also increases, while the strain decreases.
Basing on the survey results the ratio of tensile strength to compressive strength and the ratio of compressive elasticity modulus to tensile elasticity modulus are given.
Key words: FRP, compression strength, yielding, rod, GFRP, BFRP.
References
1. ACI 440.1R—06. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. ACI Committee 440, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich, 2006, 44 p.
2. ACI 440.3R—04. Guide for Test Methods for Fiber Reinforced Polymers (FRP) for Reinforcing and Strengthening Concrete Structures. ACI Committee 440, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich, 2004, 40 p.
3. CNR-DT 203/2006, 2006. Istruzioni per la Progettazione, l'Esecuzione e il Controllo di Strutture di Calcestruzzo armato con Barre di Materiale Composito Fibrorinforzato (in Italian).
4. CAN/CSA-S6-02, 2002. Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers, CAN/CSA S806-02, Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario, Canada, 177 p.
5. Fib Bulletin #40. FRP Reinforcement in RC Structures. 147 p.
6. ASTM D6641 / D6641M—09. Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture.
7. ASTM D3410 / D3410M—03(2008). Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading.
8. ASTM D695—10. Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics.
9. GOST 4651—82 (ST SEV2896—81). Plastmassy. Metod ispytaniya na szhatie [Russian State Standard 4651—82 (ST SEV 2896—81). Plastic. Compression Test Method].
10. Blaznov A.N., Savin V.F., Volkov Yu.P., Tikhonov V.B. Issledovanie prochnosti i us-toychivosti odnonapravlennykh stekloplastikovykh sterzhney pri osevom szhatii [Examining Strength and Stability of Monodirectional Glass Fiber Rods under Axial Compression]. Me-khanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsiy]. 2007, vol.13, no. 3, pp. 426—440.
About the authors: Lapshinov Andrey Evgenievich — postgraduate student, assistant, Department of Reinforced Concrete Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe schosse, Moscow, 129337, Russian Federation; La686@ yandex.ru.
For citation: Lapshinov A.E. Issledovanie raboty SPA i BPA na szhatie [The Experimental Research of GFRP and BFRP Operation under Compression]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 1, pp. 52—57.
