CC BY
43Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова
2009, № 1
Абсиметов В.Э., д-р техннаук, проф., ПанченкоЛ.А., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ТОНКОСТЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ СТЕКЛОФИБРОБЕТОНА
Эффективность пространственных тонкостенных конструкций повышается при их исполнении из стеклофибробетона. Наряду с оптимизацией по форме становится возможным управление механическими свойствами материала за счет регулирования дисперсного и стержневого армирования.
Пространственные тонкостенные конструкции в виде оболочек и складок нашли широкое использование в строительном комплексе. При выбранном строительном материале их несущая способность является функцией формы. Ускорение прогресса тонкостенных конструкций связано с совершенствованием структуры материала.
Эта идея прослеживается при создании фибро-бетона, который в зависимости от вида волокон получил название сталефибробетон, стеклофибробе-тон, базальтофибробетон и т.д. Помимо надлежащей прочности волокна, его длина должна превосходить диаметр по крайней мере в сто раз, чтобы способствовать противостоянию бетона растягивающим усилиям. Сохранение подвижности бетонной смеси с фибрами решается с помощью органических поверхностно-активных веществ, вводимых в малых дозах.
Стеклофибробетон рекомендуется для изготовления конструкций, в которых могут быть наиболее эффективно использованы следующие его технические преимущества по сравнению с бетоном и железобетоном [1]:
- повышенные трещиностойкость, ударная вязкость, износостойкость, морозостойкость и атмосфе-ростойкость;
- возможность использования более эффективных конструктивных решений, чем при обычном армировании, например; применение тонкостенных конструкций;
- возможность снижения или полного исключения расхода стальной арматуры, например, в конструкциях с экономической ответственностью;
- снижение трудозатрат и энергозатрат на арматурные работы, повышение степени механизации и автоматизации при производстве фибробетонных конструкций, например, сборных тонкостенных оболочек, складок и др.;
- возможность применения новых, более производительных приемов формования армированных конструкций, например, пневмонабрызга, погиба све-жеотформованных листовых изделий и др.
Для стеклофибробетонных конструкций предусматривается конструкционный мелкозернистый бетон средней плотности 2300 кг/м3 на кварцевом песке с крупностью зерен от 1,5 мм до 2,3 мм.
В качестве вяжущих для приготовления мелкозернистого бетона стеклофибробетонных конструкций применяют портландцемент, глиноземистый цемент марок не ниже М400, а также добавки микрокремнезема или вяжущие низкой водо-потребности.
Для армирования сталефибробетонных конструкций применяется фибра в виде отрезков стекловолокна, как правило, длиной от 10 до 60 мм, изготавливаемая путем рубки:
- ровинга из щелочестойкого (цементостойкого) стекловолокна;
- ровинга из алюмоборосиликатного (нещелоче-стойкого) стекловолокна.
Длина фибры принимается в зависимости от размеров и процента армирования конструкций, вида технологического оборудования по приготовлению и укладке стеклофибробетонной смеси.
Для армирования мелкозернистого бетона на портландцементе используется фибра из щелочес-тойкого волокна. Нещелочестойкое волокно применяется для армирования бетона на основе глиноземистого цемента, портландцемента с добавкой гипса или микрокремнезема на ограниченный срок службы.
Представляется актуальной проблема оптимизации фибробетона. Насыщаемость фибрами должна быть подчинена силовой схеме конструкции. Другими словами, управление процессом структуро-образования конструкции должно иметь подсисте-
2009, № 1
Вестник БГТУим. В. Г. Шухова
му напряженно-деформированного состояния, прогнозирующую поведение конструкции в реальных условиях.
Несущие стеклофибробетонные элементы, к числу которых относятся большей частью элементы пространственных тонкостенных конструкций, как правило, имеют комбинированное армирование. Фибры сочетаются со стержневой, проволочной стальной арматурой или стержневой стеклопластиковой арматурой.
Равномерно распределенная по толщине сечения стальная стержневая или проволочная арматура может быть учтена путем ее приведения к фибровому армированию [1]:
Р ГТ = Р / + ^ Я 1Я/ь, )> (1)
где р.} - коэффициент фибрового армирования по объему; ц х - коэффициент армирования стальной арматурой; Я^ - расчетное сопротивление растяжению стеклофибробетона; Я8 - расчетное сопротивление растяжению стальной арматуры.
В основу величины Я^ положено расчетное сопротивление растяжению фибровой арматуры Я). Оно корректируется коэффициентами, учитывающими: влияние бетона-матрицы на прочность фибро-бетона, насыщенность фибрами по объему, ориентацию фибр, влияние их длины и условия работы. Под последними подразумеваются длительность действия и многократная повторяемость нагрузки, агрессивность среды, способ изготовления конструкции и др.
Оптимизация пространственных тонкостенных конструкций ведется как за счет варьирования формы, так и в результате изменения композиции фибробето-на. Основополагающим является энергетический критерий оптимальности, вытекающий из принципа стационарного действия.
Потенциальная энергия оптимальной системы в положении устойчивого равновесия достигает абсолютного минимума по перемещениям [2]. При этом функция объема достигает глобального минимума, а свободная граница представляет собой изоэнергетическую поверхность, т.е. имеет постоянную удельную потенциальную энергию деформации (йБ). Это состояние можно использовать в качестве критерия оптимальности конструкции, в частности, при введении конечно-элементной модели. Если поверхностный слой - наиболее напряженная область, то оптимальная конструкция определяется путем решения задачи структурного синтеза при заданной величине йБ = йасШ, соответствующей допустимым значениям напряжений о ат.
В случае применимости гипотезы Бельтрами имеем условие
< 1(2Е), (2)
где Е - модуль продольной упругости. Для стеклофибробетона он незначительно отличается от модуля бетона-матрицы.
При использовании энергетической гипотезы прочности величина й2йт не должна превышать удельной энергии формоизменения при одноосном растяжении, т.е.
< [(1 + v)a ] /(3Е), (3)
где V - коэффициент поперечной деформации.
В нормах [1] приведены архитектурно-конструктивные формы общественных зданий из тонкостенных элементов, для которых даны эскизы и характерные геометрические параметры.
Для сферических куполов при осесимметричной нагрузке энергетический критерий допустимо трансформировать в условие равнопрочности системы по условию Мизеса. Постановка проектной задачи предусматривает определение оптимальной переменной толщины [3].
Коэффициент фибрового армирования по объему рекомендуется принимать в пределах 0,01 < ^{ < 0,05. Допускается при экономическом обосновании принимать ц > 0,05, когда к конструкции предъявляются повышенные требования в части трещиностойкости.
При проектировании сборного стеклофибробе-тонного купола особое внимание обращается на прочность, долговечность и технологичность соединений и узлов. Рекомендуются следующие типы тонкостенных элементов из стеклофибробетона: а) для куполов пролетами от 12 до 42 м ребристые плиты длиной 6 м с различной формой плана - прямоугольного, трапециевидного и в виде равностороннего треугольника; б) для куполов пролетами до 12 м безреберные элементы в виде складок с ромбическим планом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Проектирование и основные положения технологий производства фибробетонных конструкций (ВНС 56 - 97). -М.: НТУ НИЦ «Строительство», 1997. - 94 с.
2. Юрьев, А.Г. Вариационные постановки задач структурного синтеза в статике сооружений / А.Г. Юрьев. - М.: МИСИ, 1987. - 94 с.
3. Панченко, Л.А. Использование стеклофибробетона для сферических куполов / Л.А. Панченко // 5-я Междунар. науч.-практ. конф., 4 - 7 апреля 2007 г. В 2-х т. Т.2. - М.: МИКХиС, 2007. - С. 108-111.
