CC BY
19Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Structural calculations
УДК 691.328.4
И.А. АНТАКОВ, инженер (igor788@bk.ru)
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
Особенности работы изгибаемых элементов с композитной полимерной арматурой под нагрузкой
Представлены результаты экспериментальных исследований прочности, трещиностойкости нормальных сечений и дефор-мативности изгибаемых элементов, армированных композитной арматурой. В исследовании применялись стержни сте-клокомпозитной и базальтокомпозитной арматуры, в том числе с предварительным натяжением. Опытные образцы балок испытывались при кратковременном приложении нагрузок. По результатам испытаний установлены нагрузки трещино-образования, достижения предельных состояний по прогибам и ширине раскрытия трещин, разрушения. Выявлена зависимость момента трещинообразования от диаметра и вида армирования. Работа балок под нагрузкой после образования трещин вплоть до разрушения характеризуется преимущественно линейной зависимостью между величинами изгибающих моментов и прогибами. Зафиксированы четыре механизма разрушения балок. Установлено, что предельные состояния по эксплуатационной пригодности наступают при 26,1-52,9% от разрушающих нагрузок, у балок с преднапряженной композитной арматурой 42,3-70,3%. Более эффективным является использование стержней меньшего диаметра.
Ключевые слова: неметаллическая арматура, композитная полимерная арматура, бетонные конструкции, изгибаемые элементы.
Для цитирования: Антаков И.А. Особенности работы изгибаемых элементов с композитной полимерной арматурой под нагрузкой // Жилищное строительство. 2018. № 5. С. 15-18.
I.A. ANTAKOV, assistant (igor788@bk.ru) Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street., Kazan, 420043, Republic of Tatarstan, Russian Federation)
Features of Behavior of Flexural Members with Composite Polymeric Reinforcement under Load
The article presents the results of experimental studies of strength, crack resistance of normal sections and deformability of flexural members reinforced with composite reinforcement. The study used bars of glass-composite and basalt-composite reinforcement, with pre-tensioning including. The beam specimens were subjected to the short duration loads. According to the results of the tests, cracking loads, the achievement of limit states for deflections and the width of cracks opening, fracture have been established. The dependence of the crack formation moment on the diameter of type of reinforcement has been revealed. Operation of beams under load after cracking and till failure is characterized by mostly linear dependence between the values of bending moments and deflections.Four mechanisms of destruction of beams were recorded. It is established that that the serviceability limit states come at 26.1-52.9% of rupture load, for beams with pre-stressed composite reinforcement - 42.3-70.3%. More efficient is the use of bars of smaller diameter.
Keywords: non-metallic reinforcement, composite polymeric reinforcement, concrete structures, flexural members.
For citation: Antakov I.A. Features of behavior of flexural members with composite polymeric reinforcement under load. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 5, pp. 15-18. (In Russian).
Эффективность использования арматуры композитной полимерной (АКП) для армирования бетонных элементов обусловлена наличием ряда преимуществ перед металлической арматурой: большее до 3,5 раз сопротивление растяжению, малый удельный вес, высокая коррозионная стойкость, низкая теплопроводность. Однако наряду с известными достоинствами у композитной арматуры существует ряд недостатков и особенностей, препятствующих ее внедрению в строительной отрасли. Основными являются: относительно низкие термическая стойкость связующего и модуль упругости по сравнению со сталью, диаграмма «напряжение - деформация» практически прямолинейна вплоть до разрушения, в связи с которыми работа конструкций с АКП может существенно отличаться от традиционных железобетонных.
Исследования российских и зарубежных ученых выявили ряд особенностей работы изгибаемых бетонных элементов с АКП под нагрузкой [1-8]:
- диаграммы для балок «изгибающий момент - прогиб» под нагрузкой характеризуются преимущественно линейными зависимостями. При этом значения прогибов в
5'2018 ^^^^^^^^^^^^^
3-4 раза выше, чем у железобетонных аналогов, и соответственно больше ширина раскрытия трещин;
- сжатая зона в нормальном сечении значительно по сравнению с железобетонными элементами уменьшается после появления трещин и затем остается практически постоянной вплоть до разрушения элемента;
- разрушение нормального сечения происходит с реализацией двух механизмов - от разрыва растянутой арматуры и от разрушения бетона в сжатой зоне, при этом разрушение элементов носит хрупкий характер;
- из-за относительно низкого модуля упругости композитов требования к прогибам и ширине раскрытия трещин могут быть основными при проектировании конструкций с АКП;
- из-за относительно высокой подверженности АКП ползучести при длительном приложении нагрузки прогибы изгибаемых элементов увеличиваются до 90% от первоначальных значений в зависимости от величины нагрузки и вида арматуры. При этом с течением времени возможно образование трещин.
Таким образом, работа изгибаемых элементов с АКП под нагрузкой имеет ряд принципиально отличных от желе- 15
Расчет конструкций
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
1о/3
1а/3
55
1о=ТТ0Р
1=1810
55
1 И
Сэ я
я 25 70 . 25
120
Таблица 1
Предельный изгибающий момент (М , кН м)
Рис. 1. Схема опирания и нагружения исследуемых балок
зобетона особенностей, что является следствием физико-механических свойств композитной арматуры.
С целью получения опытных данных, включающих прочностные и деформационные параметры (табл. 1) характер трещинообразования и разрушения, работы изгибаемых элементов с композитной арматурой проведены экспериментальные исследования образцов балок со стеклоком-позитной (АСК) и базальтокомпозитной арматурой (АБК). В исследовании фиксировались моменты достижения предельного состояния по эксплуатационной пригодности.
Опытными образцами являлись бетонные балки сечением 120x220 мм и длиной 1810 мм, армированные двумя стержнями в растянутой зоне с защитным слоем бетона 20 мм. Испытания балок проводились в соответствии с положениями ГОСТ 8829-94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости». Балки свободно оперты по двум сторонам и нагружены сосредоточенными нагрузками на расстоянии У3 с каждой стороны от опор (рис. 1), где 1_ - расстояние между опорами.
В табл. 5 представлены характеристики опытных образцов балок. В рамках исследования использованы следующие виды АКП: серия 2 - стержни стеклопластиковой арматуры периодического профиля, рифление создано при помощи навивки базальтового волокна по ТУ 5769-24835354501-2007; серия 3 - стержни базальтопластиковой арматуры, с опесчаненной поверхностью по ТУ 2296-00160722703-2013; серия 4 - стержни стеклопластиковой арматуры с опесчаненной поверхностью по ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия».
На рис. 2 представлены зависимости между величинами изгибающего момента и прогибами для испытанных опытных образцов. Работа балок с композитной арматурой под нагрузкой характеризуется относительно высокой деформативно-стью по сравнению с соответствующими образцами со стальной арматурой и преимущественно, линейной зависимостью М - f после образования трещин вплоть до разрушения. Подобная зависимость наблюдалась у балок со стальной арматурой диаметром 12 мм, разрушение которых произошло от дробления бетона сжатой зоны. При этом напряжения в арматуре не достигли предела текучести. Диаграммы балок со стержнями диаметром 6 и 8 мм имеют характерные пологие участки, соответствующие достижению напряжением в арматуре предела текучести.
о о г Армирование балки кН-м е е м 1 Характер разрушения балок
2012 А400 20,333/20,333 20,333 2
1 208 А400 11,172/11,563 11,368 1
206 А400 8,211/8,1 8,156 1
2010 АСК 21,255/23,908 22,582 2
2 208 АСК 18,32/19,439 18,88 4 / 2
206 АСК 9,44/9,38 9,41 1
207 АБК 16,311/16,59 16,451 3
3 205 АБК 11,116/11,45 11,283 1
204 АБК 5,363/6,536 5,95 1
206 АСК, а =250 МПа 11,563/11,898 11,731 2
4 206 АСК, а8о=400 МПа 12,457/10,446 11,452 2 / 1
208 АСК, а =250 МПа 19,216 19,216 3
208 АСК, а8[,=400 МПа 16,199/19,747 17,973 1 / 4
В связи с относительно большей деформативностью высота развития трещин у образцов с АКП выше, чем у железобетонных балок, и остается практически постоянной вплоть до разрушения элемента. Также стоит отметить, что у балок с АКП наблюдалось «разветвление» трещин (рис. 3). Подобное явление у железобетонных балок наблюдалось в момент достижения напряжений в арматуре пределу текучести.
Разрушения балок происходили по нормальному сечению. Зафиксированы следующие механизмы разрушения: 1 - разрыв арматуры; 2 - разрушение бетона в сжатой зоне; 3 - одновременно разрыв арматуры и разрушение бетона в сжатой зоне; 4 - проскальзывание арматуры. При этом с увеличением процента армирования АКП происходит изменение механизма разрушения от разрыва арматуры к дроблению бетона сжатой зоны, с промежуточным характером разрушения - одновременное разрушение по арматуре и бетону. Опытные образцы со стальной арматурой разрушались по характерным двум случаям с реализацией двух соответствующих механизмов. В результате разрушения от проскальзывания АКП на обширных зонах наблюдалось «отстреливание» защитного слоя бетона (рис. 4).
(п — 206 А400 ХТ) — 208А4ОО |4М —2012 А400 (4) —206 АСК (?) —208 АСК
(6) —2010 АСК
(7) —204 АБК —205 АБК —207 АБК
—206АСК5р-25ОМПа —206 АСКзр - 400МПа —208 АСК5р - 250МПа —208 АСК5Р - 400МПэ
Рис. 2. Зависимости М — f, полученные по данным испытаний опытных образцов ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ |5'2018
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Structural calculations
Таблица 2
Момент трещинообразования (№" , кН м)
¡^ 0 о Z Армирование балки M-pcrc, кН-м Среднее значение M«p , кН-м M / м" ult
2012 А400 3,575 3,575 0,176
1 208 А400 3,296 / 4,18 3,738 0,33
206 А400 2,57 / 3,156 2,863 0,372
2010 АСК 3,24 / 3,129 3,185 0,141
2 208 АСК 3,016 / 3,156 3,086 0,164
206 АСК 3,296 / 2,737 3,017 0,319
207 АБК 2,095 / 2,57 2,333 0,142
3 205 АБК 1,676 1,676 0,149
204 АБК 1,201 1,201 0,202
206 АСК, о80=250 МПа 2,18 / 3,55 2,865 0,244
4 206 АСК, а =400 МПа 3,52 / 3,743 3,632 0,317
208 АСК, а =250 МПа 5,586 / 5,642 5,614 0,292
208 АСК, а„п=400 МПа 6,284 / 6,48 6,382 0,355
Изгибающий момент М и ширина раскрытия трещин асгс при прогибе балок 1=8,55мм (1о/200)
№ серии Армирование балки M, кН-м Среднее значение M, кН-м M/ Mlt ult acrc, мм Среднее значение acrc, мм
2012А400 11,08 11,08 0,545 0,15 0,15
1 208 А400 8,1 8,1 0,713 0,5 0,5
206 А400 5,58 5,58 0,684 0,8 0,8
2010 АСК 5,86 / 5,92 5,89 0,261 0,5 0,5
2 208 АСК 5,586 / 5,565 5,576 0,295 0,8 0,8
206 АСК 3,91 / 3,85 3,88 0,412 1,1 1,1
207 АБК 4,5 4,5 0,274 0,5 0,5
3 205 АБК 3,88 / 3,63 3,755 0,333 1,1 1,1
204 АБК 3,15 3,15 0,529 1,35 1,35
206 АСК, а =250 МПа 4,6 / 5,32 4,96 0,423 0,82/0,45 0,635
4 206 АСК, а =400 МПа 5,55 / 5,9 5,725 0,5 0,47/0,78 0,625
208 АСК, а =250 МПа 8,05 / 8,854 8,452 0,44 0,2 / 0,38 0,29
208 АСК, а,п=400 МПа 9,963 / 9,887 9,925 0,552 0,4 / 0,56 0,48
Рис. 3. Характер трещинообразования балки с 2 0 7АБК
В табл. 2 представлены опытные данные прочности нормальных сечений балок. Результаты испытаний опытных образцов представлены в виде числитель/знаменатель -данных по двум опытным образцам.
В табл. 2 представлены полученные по результатам испытаний опытных образцов значения моментов трещинообразования.
В отличие от образцов серий 1 и 2 в серии 3 наблюдается выраженная зависимость между величинами момента трещинообразования и диаметром стержней. С уменьшением диаметра снижается величина Мсгс, разница между максимальным диаметром 7 мм и минимальным 4 мм составляет 48,52%. Для серии 2 такое снижение составило 5,28%. При увеличении предварительного напряжения стержней 206 мм
Таблица 3
Изгибающий момент и ширина раскрытия трещин при прогибе балок ([Д=(1/200)Ъ )
Рис. 4. Разрушенная балка с 2 08АСК от проскальзывания арматуры
стеклокомпозитная арматура (АСК) с 250 МПа до 400 МПа момент трещинообразования увеличивается на 26,77%. У образцов с 208 мм АСК на 13,68%.
В табл. 3 представлены экспериментальные значения изгибающих моментов и ширины раскрытия трещин при прогибе балок, соответствующем - (1/200)/о.
В табл. 4 представлены экспериментальные значения изгибающих моментов при ширине раскрытия трещин, равной предельно допустимой величине 0,7 мм согласно п. Л.3.5 СП 63.13330.2012.
Прогиб балок с АКП достигал 1/200 пролета при нагрузках от 0,261 до 0,552 разрушающих. Ширина раскрытия трещин достигала предельно допустимой величины 0,7 мм при нагрузках от 0,319 до 0,703 разрушающих. С уменьшением диаметра стержней АКП отношения изгибающих моментов при достижении прогиба 1/200 пролета и ширины раскрытия трещин 0,7 мм к разрушающим значениям, М/Ми|1, увеличиваются.
Основные выводы по результатам выполненного исследования.
Работа балок под нагрузкой после образования трещин вплоть до разрушения характеризуется преимущественно линейной зависимостью между величинами изгибающих моментов и прогибами М - Г Подобная зависимость наблюдалась у балок со стальной арматурой, разрушение которых произошло от дробления бетона сжатой зоны.
В связи с относительно большей деформативностью глубина развития трещин у образцов с АКП больше. В отличие от образцов со стальной арматурой и АСК с навивкой у балок
Таблица 4
Изгибающий момент при ширине раскрытия трещин ([а ] = 0,7 мм)
s и р Армирование балки Изгибающий момент М при ширине раскрытия трещин [асгс] = 0,7 мм
е о Z M, кН-м Среднее значение M, кН-м M/Mu„
2010 АСК 5,684 / 9,412 7,548 0,334
2 208 АСК 7,094 / 4,968 6,031 0,319
206 АСК 3,519 / 3,423 3,471 0,369
207 АБК 7,448 / 4,128 5,788 0,352
3 205 АБК 3,99 3,99 0,354
204 АБК 2,64 2,64 0,444
206 АСК, а8о=250 МПа 3,785 / 7,15 5,468 0,466
4 206 АСК, а =400 МПа 6,871 / 5,698 6,285 0,549
208 АСК, а8о=250 МПа 15,94 / 11,07 13,505 0,703
208 АСК, а„п=400 МПа 12,37 / 10,67 11,52 0,641
5'2018
17
Расчет конструкций
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 5
Характеристики серий опытных образцов балок
Продольное армирование
s s Œ 0 О z Класс бетона Количество и диаметр стержней, класс, величина преднапряжения Расчетный диаметр, мм Процент армирования % Модуль упругости Es(f), МПа Сопротивление растяжению R s(f),n, МПа
2012 А400 12 0,942
1 В30 208 А400 8 0,421 200000 400
206 А400 6 0,238
2010 АСК 8,6 0,484 51500 1200
2 В40 208 АСК 7 0,321
206 АСК 5 0,164 51770 1250
207 АБК 7 0,321 50000 1000
3 В35 205 АБК 5,3 0,184 51000 1100
204 АБК 4 0,105 51000 1200
4 В15 206 АСК а =250; 400 МПа 6,3 0,26 52000 1280
В20 208 АСК asp=250; 400 МПа 8 0,419 50800 1120
с стеклокомпозитная арматура (АБК) с опесчаненной поверхностью наблюдается более выраженная зависимость между величинами момента трещинообразования Mcrc и диаметром стержней. С уменьшением диаметра снижается величина Mcrc.
По результатам испытаний зафиксированы следующие механизмы разрушения балок с АКП: 1 - разрыв арматуры; 2 - разрушение бетона в сжатой зоне; 3 - одновременно - разрыв арматуры и разрушение бетона в сжатой зоне; 4 - продергивание арматуры. Разрушение всех образцов с АКП имело хрупкий характер. Однако относительно высокая деформативность балок с композитами может быть расценена как признак, предшествующий разрушению.
Деформативность балок с АКП, в пределах нормативного прогиба, порядка 27-45 % выше, чем у балок со стальной арматурой, деформативность образцов с преднапряженной АСК на 10-130% ниже, чем у балок с АКП без предварительного напряжения.
Предельные состояния по эксплуатационной пригодности наступают при 26,1-52,9% от разрушающих нагрузок -при нормативном прогибе 1/200 пролета, 31,9-44,4% - при предельно допустимой ширине раскрытия трещин 0,7 мм. При этом с уменьшением диаметра АКП изгибающие моменты, соответствующие предельным состояниям по эксплуатационной пригодности, приближаются к разрушающим. У балок с преднапряженной АСК 42,3-55,2% - при нормативном прогибе и 46,6-70,3% - при предельно допустимой ширине раскрытия трещин. Более эффективным является использование стержней меньшего диаметра АКП.
Список литературы
1. Al-Sunna R., Pilakoutas K., Hajirasouliha I., Guadagnini M. Deflection behavior of FRP reinforced concrete beams and slabs: An experimental investigation // Composites Part B: Engineering. 2013. 43 (5). 23 p.
2. Barris C., Torres L., Turon A., Baena M., Mias C. Experimental study of flexural behaviour of GFRP reinforced // Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE2008). Zurich, Switzerland, 22-24 July 2008.
3. Barris C., Torres L., Comas J., Mias C. Cracking and deflections in GFRP RC beams: an experimental study // Composites: Part B. 2013. 55. P. 580--590.
4. Mahdi Feizbahr, Jayaprakash, Morteza Jamshidi, Choong Kok Keong. Review on Various Types and Failures of Fibre Reinforcement Polymer // Middle-East Journal of Scientific Research. 2013. 13 (10). P. 1312-1318.
5. Pawlowskia D., Szumigalaa M. Flexural behaviour of full-scale basalt FRP RC beams - experimental and numerical studies // 7th Scientific-Technical Conference Material Problems in Civil Engineering (MATBUD'2015). Procedia Engineerin. 2015. 108. P. 518-525.
6. Urbanski M., Garbacz A., Lapko A. Investigation on concrete beams reinforced with basalt rebars as an effective alternative of conventional R/C structures // Proceedings of the 11th International Conference on Modern Building Materials, Structures and Techniques. Procedia Engineering. 2013. 57. P. 1183-1191.
7. Климов Ю.А., Солдатченко А.Д., Витковский Ю.А. Экспериментальные исследования композитной арматуры на основе базальтового и стеклянного ровинга для армирования бетонных конструкций // Бетон и железобетон. 2012. № 2 (7). С. 106-109.
8. Фролов Н.В. Экспериментальные исследования образцов армобетонных балок в растянутой зоне, армированных стеклопластиковыми стержнями // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 46-50.
References
1. Al-Sunna R., Pilakoutas K., Hajirasouliha I., Guadagnini M. Deflection behavior of FRP reinforced concrete beams and slabs: An experimental investigation. Composites Part B: Engineering, 43 (5). 2012. 23 p.
2. Barris C., Torres L., Turon A., Baena M., Mias C. Experimental study of flexural behaviour of GFRP reinforced. Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE2008). Zurich, Switzerland, 22-24 July 2008.
3. Barris C., Torres L., Comas J., Mias C. Cracking and deflections in GFRP RC beams: an experimental study. Composites: Part B, 55. 2013, pp. 580-590.
4. Mahdi Feizbahr, Jayaprakash, Morteza Jamshidi, Choong Kok Keong. Review on Various Types and Failures of Fibre Reinforcement Polymer. Middle-East Journal of Scientific Research 13 (10). 2013, pp. 1312-1318.
5. Pawlowskia D., Szumigalaa M. Flexural behaviour of full-scale basalt FRP RC beams - experimental and numerical studies. 7th Scientific-Technical Conference Material Problems in Civil Engineering (MATBUD'2015). Procedia Engineering 108. 2015, pp. 518-525.
6. Urbanski M., Garbacz A., Lapko A. Investigation on concrete beams reinforced with basalt rebars as an effective alternative of conventional R/C structures. Proceedings of the 11th International Conference on Modern Building Materials, Structures and Techniques. Procedia Engineering 57. 2013, pp. 1183-1191.
7. Klimov Y.A., Soldatchenko A.D., Witkowski J.A. Experimental study of composite reinforcement on the basis of basalt and glass roving for reinforcement of concrete structures. Beton i zhelezobeton. 2012. No. 2 (7), pp. 106-109 (In Russian).
8. Frolov N.V. Experimental research of concrete beams with glass-plastic bars in tensioned area. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. SHuhova. 2016. No. 2, pp. 46-50. (In Russian).
18
52018
