CC BY
22
Мезенцева А.В., Бозшалова Л.Т., Белозерова Д.С. Способы создания предварительного напряжения в элементах строительных конструкций с использованием невзрывчатой разрушающей смеси (НРС-1) // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. - 2018. - Т. 9, № 2. - С. 110-116. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.2.10
Mezentseva A.V., Bozshalova L.T., Belozerova D.S. Prestress creating methods in building structures using a nonexplosive destructive mixture (NDM-1). Bulletin of PNRPU. Construction and Architecture. 2018. Vol. 9. No. 2. Pp. 110-116. DOI: 10.155 93/2224-9826/2018.2.10
ВЕСТНИК ПНИПУ. СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА Т. 9, № 2, 2018 PNRPU BULLETIN. CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE http://vestnik.pstu.ru/arhit/about/inf/
DOI: 10.15593/2224-9826/2018.2.10 УДК 624.01
СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕВЗРЫВЧАТОЙ РАЗРУШАЮЩЕЙ СМЕСИ (НРС-1)
А.В. Мезенцева, Л.Т. Бозшалова, Д.С. Белозерова
Карагандинский государственный индустриальный университет, Темиртау, Казахстан
О СТАТЬЕ
АННОТАЦИЯ
Получена: 01 марта 2018 Принята: 14 апреля 2018 Опубликована: 29 июня 2018
Ключевые слова: предварительное напряжение, усиление строительных конструкций, ремонт строительных конструкций.
Объектом исследования являются полые металлические элементы строительных конструкций, которые можно использовать, например, в качестве затяжек. Предварительное напряжение в таких трубчатых элементах возможно создавать с использованием НРС-1.
Цель исследования - определение несущей способности трубчатых элементов, подверженных внутреннему давлению от НРС-1. Выполнено несколько экспериментов, выявляющих характер работы этих элементов, а именно - образцов испытания на растяжение и сжатие.
Для изучения работы на растяжение и сжатие трубчатых элементов в строительных конструкциях проводились исследования одинаковых трубчатых элементов с заполнением различными материалами (НРС-1, цементно-песчаная смесь) и без заполнения.
Анализ полученных результатов при испытании трубчатых металлических элементов на растяжение показывает, что по несущей способности трубчатые элементы примерно одинаковы, однако удлинение трубчатых образцов, заполненных НРС-1, при разрыве меньше, чем у остальных. Площадь диаграммы разрыва у образцов труб с заполнением меньше, чем у образца трубы без заполнения. Важным при усилении строительных конструкций является то, что образцы труб, заполненных НРС-1, имеют большую жесткость. Однако если нет усиления мест расположения продольных разрезов приваренными металлическими накладками, то такие образцы имеют меньшую несущую способность.
Анализ полученных результатов при испытании трубчатых металлических элементов на сжатие показывает, что элемент, предварительно напряженный при помощи невзрывчатой разрушающей смеси, выдерживает большую предельную нагрузку, чем образец, заполненный цементно-песчаным раствором, и образец без заполнения. Таким образом, из металлических трубчатых элементов, предварительно напряженных при помощи НРС, можно изготавливать работающие на сжатие элементы строительных конструкций.
©ПНИПУ
© Мезенцева Анастасия Владимировна - магистр техники и технологии, e-mail: avmez@mail.ru. Бозшалова Ляйля Тажибаевна - преподаватель, e-mail: kaf.str-vo@mail.ru. Белозерова Дарья Сергеевна - студентка, e-mail: dasha_belozerova@mail.ru.
Anastasia V. Mezentseva - Master of Engineering and Technology, e-mail: avmez@mail.ru. Lyaylya T. Bozshalova - Lecturer, e-mail: kaf.str-vo@mail.ru. Darya S. Belozerova - Student, e-mail: dasha_belozerova@mail.ru.
PRESTRESS CREATING METHODS IN BUILDING STRUCTURES USING A NON-EXPLOSIVE DESTRUCTIVE MIXTURE (NDM-1)
A.V. Mezentseva, L.T. Bozshalova, D.S. Belozerova
Karaganda State Industrial University, Temirtau, Kazakhstan
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Received: 01 March 2018 Accepted: 14 April 2018 Published: 29 June 2018
Keywords: preliminary tension, strengthening of building structures, repair of building structures.
The objects of the study are hollow metal elements of building structures that can be used, for example puffs. Preliminary stress in such tubular elements can be created using NDM-1.
Goal - determination of the bearing capacity of tubular elements subjected to internal pressure from NDM-1. Several experiments were carried out to reveal the nature of the work of these elements, namely, the samples were tested for tension and compression.
To study the work on tension and compression of tubular elements in building structures, studies were carried out of identical tubular elements filled with various materials (HPC-1, cement-sand mixture) and without filling.
The analysis of the results obtained when testing the tubular metal elements for tensile stress shows that the load-bearing capacity of tubular elements is approximately the same, however, the elongation of tubular samples filled HPC-1 at break is less than in the others. The area of the fracture diagram for pipe samples with a fill is less than that of a pipe sample without filling. The important thing for the strengthening of building structures is that the samples of pipes filled with HPC-1 have a high rigidity. However, if there is no strengthening of the locations of longitudinal sections with welded metal plates, such samples have a lower bearing capacity.
An analysis of the results obtained when testing the tubular metal elements for compression shows that the element prestressed by means of a non-explosive breaking mixture withstands a greater ultimate load than a sample filled with a cement-sand mortar and a sample without filling. Thus, from metal tubular elements, pre-strained with the help of HPC, it is possible to manufacture compression elements of building structures.
© PNRPU
В настоящее время в эксплуатации находится большое количество различных зданий и сооружений. Строительные конструкции, особенно эксплуатируемые в условиях повышенной агрессивной внешней среды, приходят в неудовлетворительное состояние уже через 1520 лет работы и требуют ремонта. В связи с изменением технологических процессов и нагрузок на конструкции возникает потребность в усилении сооружений при реконструкции [1].
Определенный интерес при усилении несущей способности строительных конструкций вызывает работа полых металлических элементов, например трубчатых, для использования в качестве затяжек. В этом случае предварительное напряжение в трубчатом элементе возможно производить с использованием НРС-1.
В качестве расширяющегося материала испытаны композиции, составленные из сочетания различных веществ. Наилучшие результаты получены для расширяющегося материала, состоящего из окиси кальция (ОСТ 21-27-78), замедлителя реакции гидратации окиси кальция в виде КБЖ (ОСТ 81-79-74), а также возможны в определенных условиях добавки нитрата и поташа.
При смешивании НРС-1 с водой образуется смесь (суспензия), которая, будучи залита в частично или полностью замкнутую полость в каком-либо объекте, постепенно, в результате реакции гидратации порошка, твердеет и увеличивается в объеме. Количество воды в порошке НРС-1 не должно превышать 30-35 %. В противном случае давление расширения резко снижается. Увеличение объема сопровождается развитием давления от 50 до 150 МПа на стенки шпура, величина которого зависит от содержания в порошке СаО [2, 3].
Установлено, что водный раствор расширяющегося материала увеличивается в объеме в результате реакции примерно в 2-3 раза относительно первоначального [4, 5].
Располагать расширяющуюся смесь необходимо внутри трубчатого элемента. Целесообразно создавать напряжения в трубчатом элементе обратные по знаку напряжениям, возникающим в эксплуатируемой конструкции, для повышения эффективности включения в работу трубчатого элемента.
Приведем пример. В растянутом нижнем поясе трубчатой фермы возможно создать сжимающие напряжения. Для этого на определенном участке нижнего пояса (у мест опи-рания) необходимо выполнить в трубчатом элементе продольные разрезы и внутренний объем этих участков трубчатых элементов заполнить расширяющейся смесью [6].
С целью определения несущей способности трубчатых элементов, подверженных внутреннему давлению от НРС-1, было проделано несколько экспериментов, выявляющих характер работы этих элементов [7].
По результатам экспериментов установлено, что разрушение трубчатых элементов от внутреннего давления может произойти по образующей и поперек продольного сечения трубчатого элемента. При этом максимальное напряжение (а), возникающее по образующей трубчатого элемента, должно быть меньше допустимого (R).
Допустимое напряжение, МПа (кг/см2), определяется из выражения
а„, (!)
где AP - внутреннее давление, развиваемое в результате расширения НРС-1, МПа (кг/см2); Д -наружный диаметр трубчатого образца, м (см); t - толщина стенки трубчатого образца, м (см).
amax < —доп. (2)
Характерные результаты проведенных экспериментов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты экспериментов
Table 1
The results of experiments
Характеристики Средние значения Примечания
трубы НРС
Д, см t, см AP, кг/см2 Напряжение а, кг/см2 R, МПа (кг/см2)
2,2 0,15 50 3600 3200 Разрушение по шву
3 0,2 50 3750 3200
2,2 0,15 50 2160 3200 Целый трубчатый элемент
Анализ экспериментальных данных показывает, что результаты, полученные по формуле (2), удовлетворительно совпадают с экспериментальными и по ней можно оценивать возможность использования того или иного трубчатого элемента, подверженного внутреннему давлению.
Известен способ получения известкового НРС путем перемешивания измельченной строительной извести, обычно обжигаемой при 1000 °С, с различными добавками [8, 9]. Вводимые добавки химически стабилизируют известь, замедляя ее гидратацию. В результа-
те становится возможным появление эффекта «самонапряжения» - когда процесс гашения протекает в стесненных условиях. Недостатком указанного способа является невысокий уровень самонапряжения, не более 30 МПа, сложная технология, связанная с подбором оптимального сочетания тонкости помола извести с ассортиментом и количеством вводимых в нее добавок. Кроме того, такая композиция не пригодна для длительного хранения [10].
Для изучения работы на растяжение трубчатых элементов в строительных конструкциях проводились исследования одинаковых трубчатых элементов с заполнением различными материалами, включая невзрывчатую расширяющуюся смесь. Внешний вид образцов, испытанных на растяжение, представлен на рис. 1.
По результатам четырех серий опытов с трубчатыми образцами при работе их на растяжение были построены диаграммы. На рис. 2 показаны результаты определения несущей способности одинаковых круглых труб, заполненных различными смесями.
Рис. 1. Металлические трубчатые элементы после испытания на растяжение Fig. 1. The metal tubular elements after the tensile test
Рис. 2. Результаты испытания трубчатых образцов на растяжение: а - стержень, заполненный НРС; б - стержень без заполнения; в - стержень, заполненный цементно-песчаной смесью Fig. 2. The results of tube samples test on stretching: a - the rod filled with NDM-1; b - the rod without filling; c - the rod filled with cement-sand mixture
Анализ полученных результатов показывает, что по несущей способности трубчатые элементы примерно одинаковы. При этом следует отметить, что развиваемое НРС-1 внутреннее давление (АРт) в этой серии экспериментов не превышало 1 МПа (10 кг/см2). Удлинение трубчатых образцов, заполненных НРС-1, при разрыве меньше, чем у остальных. Площадь диаграммы разрыва у образцов труб с заполнением меньше, чем у образца трубы без заполнения (см. рис. 2). На наш взгляд, с точки зрения работы конструкции на статическую нагрузку повышается жесткость образца труб, заполненных НРС-1. Это важно при усилении строительных конструкций.
Анализ результатов показывает, что образцы с продольными разрезами, полностью заполненные НРС-1, имеют меньшую несущую способность, если нет усиления мест расположения продольных разрезов накладками, которые должны привариваться после расширения НРС.
При исследовании трубчатых металлических элементов на сжатие испытывались образцы без какого-либо заполнения, а также с различным заполнением, таким как цементно-песчаный раствор и невзрывчатая разрушающая смесь НРС-1. Образцы представляли собой металлические трубчатые элементы с одинаковыми длиной, диаметром и толщиной стенки. На рис. 3 показан внешний вид трубчатых образцов, испытываемых на сжатие. Результаты испытания трубчатых металлических образцов на сжатие приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики и геометрические размеры образцов, испытанных на сжатие
Table 2
The characteristics and geometric dimensions of samples, tested for compression
Рис. 3. Образцы из металлических трубчатых элементов Fig. 3. The samples from metal tubular elements
Длина образца l, мм Диаметр 0, мм Толщина стенки ¿ст, мм Заполнение Предельная нагрузка, т
300 22 1,5 без заполнения 3,6
300 22 1,5 цементно-песчаный раствор 4,4
300 22 1,5 НРС 4,9
Полученная экспериментально предельная нагрузка ориентировочно может быть оп ределена по формуле Эйлера:
кЕ1
Рпр =
(м/)2
(3)
где Е - модуль упругости материала (кг/см2), МПа; J - момент инерции площади поперечного сечения образца трубчатого элемента (см4), м ; I - длина трубчатого элемента (см), м; д - коэффициент, учитывающий условия закрепления трубчатого элемента, в данном случае д « 0,7^1.
р=32 (< - ^) ■
(4)
где ён - наружный диаметр трубчатого элемента (см), м; ёвн - внутренний диаметр трубчатого элемента (см), м.
Критическую силу можно определить по более точной формуле:
кЕГ
P -
X2
где X - , i - радиус инерции, см, определяется по формуле i
1 =
J
\f '
где F - площадь поперечного трубчатого сечения с заполнением и без заполнения.
Металлический трубчатый элемент, предварительно напряженный при помощи невзрывчатой разрушающей смеси, выдерживает большую предельную нагрузку, чем образец, заполненный цементно-песчаным раствором, и образец без заполнения. Это значит, что из металлических трубчатых элементов, предварительно напряженных при помощи НРС, можно изготавливать
элементы строительных конструкций, Рис. 4. Модель предварительно г Л,
„ работающие на сжатие. Модель пред-
напряженнои металлической колонны
варительно напряженной колонны при-Fig. 4. Model of prestressed metal column v v r
ведена на рис. 4.
Библиографический список
1. Рекомендации по усилению и ремонту строительных конструкций инженерных сооружений. - М.: ЦНИИпромзданий, 1997. - 180 с.
2. Мингалёв А.Г., Пиотрович А.А. Некоторые результаты исследования НРС для транспортного строительства [Электронный ресурс] // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. - 2016. - URL: https://elibrary.ru/ item.asp?id=26396626 (дата обращения 27.02.2018).
3. Хорохонов Ю.Б., Плохань К.В. Лабораторные исследования рабочей смеси на основе НРС-1 // Повышение эффективности разработки месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири: тез. докл. - Иркутск, 1989. - С. 17.
4. Горшкова Л.В. Исследование анкерных свай с использованием расширяющихся материалов: дис. ... канд. техн. наук. - Астана, 2002. - 137 с.
5. Способ создания предварительного напряжения в железобетонных конструкциях / Плотников В.М., Коннов А.В., Беляев В.В., Ворожбянов В.Н., Адигамов Р.Ш. А.с. № 1791598. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 1 октября 1991 г.
6. Способ усиления строительных конструкций / Плотников В.М., Казбанов О.А., Смолькина Т.П., Петров С.А., Кузнецов С.Б. Предварительный патент Республики Казахстан (19) KZ(13) А(11) 9843.
7. Тырычева А.В. Усиление и ремонт несущих конструкций нетрадиционно напряженными элементами: дис. ... магистра техники и технологии. - Темиртау: Карагандинский металлургический институт, 2004. - 92 с.
8. Грановский Ю.Л. Невзрывные разрушающие композиции на основе негашеной извести // Бетон и железобетон. - 1988. - № 8. - С. 14-15.
9. Способ получения невзрывного разрушающего средства [Электронный ресурс] / В.Ф. Боровков, Г.П. Берсенев, С.С. Белоногов, В.М. Уфимцев // FindPatent.ru - патентный поиск. - 2012-2018. - URL: http://www.findpatent.ru/patent/225/2251619.html (дата обращения: 28.02.2018).
10. Способ получения невзрывного разрушающего средства [Электронный документ] / С.С. Белоногов, В.Ф. Боровков, В.М. Уфимцев, Г.П. Берсенев // Патентообладатели: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет-УПИ». - 2005. - URL: https:// elibrary.ru/item.asp?id=17427789 (дата обращения: 28.02.2018).
References
1. Rekomendatsii po usileniiu i remontu stroitel'nykh konstruktsii inzhenernykh sooruzhenii [Recommendations for strengthening and repair of structural engineering]. Moscow, TsNIIpromzdanii, 1997, 180 p.
2. Mingalev A.G., Piotrovich A.A. Nekotorye rezul'taty issledovaniia NRS dlia transportnogo stroitel'stva [Some results of the research of non-explosive destructive means for transport construction]. Nauchno-tekhnicheskoe i ekonomicheskoe sotrudnichestvo stran ATR v XXI Veke, 2016, available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=26396626 (accessed 27 February 2018).
3. Khorokhonov Iu. B., Plokhan K.V., Laboratornye issledovaniia rabochei smesi na osnove NRS-1 [Laboratory studies of the working mixture based on the NRS-1]. Povyshenie effektivnosti razrabotki mestorozhdeniipoleznykh iskopaemykh Vostochnoi Sibiri, Irkutsk, 1989, pp. 17.
4. Gorshkova L.V. Issledovanie ankernykh svai s ispol'zovaniem rasshiriaiushchikhsia materialov [Research of anchor piles using expanding materials]. Ph. D. thesis. Astana, 2002, 137 p.
5. Plotnikov V.M., Konnov A.V., Beliaev V.V., Vorozhbianov V.N., Adigamov R.Sh. Sposob sozdaniia predvaritel'nogo napriazheniia v zhelezobetonnykh konstruktsiiakh [A method of creating a pre-stress in reinforced concrete structures]. Patent USSR1791598 (1991).
6. Plotnikov V.M., Kazbanov O.A., Smol'kina T.P., Petrov S.A., Kuznetsov S.B. Sposob usileniia stroitel'nykh konstruktsii [Method of strengthening building structures]. Patent Respubliki Kazakhstan (19) KZ(13) A(11) 9843.
7. Tyrycheva A.V. Usilenie i remont nesushchikh konstruktsii netraditsionno napriazhennymi elementami [Strengthening and structural repair strained non-traditional elements]. Master's Degree. Temirtau, Karagandinskii metallurgicheskii institut, 2004, 92 p.
8. Granovskii Iu.L. Nevzryvnye razrushaiushchie kompozitsii na osnove negashenoi izvesti [Non-explosive destructive compositions on the basis of burnt lime]. Beton i zhelezobeton, 1988, no. 8, pp.14-15.
9. Borovkov V.F., Bersenev G.P., Belonogov S.S., Ufimtsev V.M. Sposob polucheniia nevzryvnogo razrushaiushchego sredstva [A method of producing a non-explosive destructive means]. FindPatent.ru - patentnyi poisk, 2012-2018, available at: http://www.findpatent.ru/ pa-tent/225/2251619.html (accessed 28 February 2018).
10. Belonogov S.S., Borovkov V.F., Ufimtsev V.M., Bersenev G.P. Sposob polucheniia nevzryvnogo razrushaiushchego sredstva [A method of producing a non-explosive destructive means]. Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovaniia "Ural'skii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet-UPI", 2005, available at: https://elibrary.ru/ item.asp?id=17427789 (accessed 28 February 2018).
