О влиянии стеклопластиковой арматуры на прочрость нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона
Аннотация
В статье рассматриваются вопросы связанные с прочностью нормальных сечений железобетонных балок , в которых стальная арматура полностью либо частично заменена на стержневую стеклопластиковую. Установлино, что прочность таких балок ниже, а деформации существенно выше по сравнению с традиционно армированными. При этом расчет по действующим нормам резко завышает торетическую несущую способность балок с композитной арматурой.
Ключевые слова: тяжелый бетон, железобетон, прочность, нормльные сечения, сталь, стеклопластиковая арматура, композитные материалы,исследования
Исследование деформативных свойств балок, имеющих стеклопластиковую и комбинированную арматуру, выполнялось на тех же опытных образцах, что и при изучении прочностных свойств элементов с композитной арматурой. При этом, как и ранее, в качестве эталонных были приняты железобетонные балки с обычной стальной арматурой. Конструкция опытных образцов, их армирование и характеристика используемых материалов приведены в работе [1], размещенной на страницах настоящего электронного журнала «Инженерный вестник Дона», №4 за 2012 год.
Балки загружались двумя сосредоточенными силами, приложенными в третях расчетного пролета балок и равного 160 см. Испытания проводилось ступенчато-возрастающей нагрузкой интенсивностью 4; 8 и 16 кН. Первый уровень нагрузки прикладывался трижды, затем следовал этап с нагрузкой 8 и далее по 16 кН до уровня ориентировочно равного 0,8 от предполагаемой величины разрушающей нагрузки- Nult.
Указанные нагрузки прикладывались через образцовый динамометр с максимальным усилием 500 кН непосредственно на траверсу. Таким образом, величина силы на приопорных участках составляла около 1/20 и 1/10 от величины Nult соответственно до и после образования трещин. Интенсивность нагрузки контролировалось по индикатору часового типа с ценой деления 0,01, установленного на динамометре, что соответствовало согласно тарировочной таблицы усилию, практически равному, 1кН.
Замеры деформаций выполнялись так же с помощью индикаторов часового типа с аналогичной ценой деления, которые были расположены по осям опор, осям приложения усилий и в середине пролета. Отсчеты с приборов снимались на каждом этапе дважды-сразу после загружения и после выдержки под нагрузкой, которая составляла 7-10 минут. Все отсчеты и характер поведения балок заносились в журнал испытаний.
Поведение опытных балок под нагрузкой изменялось в зависимости от следующих факторов: наличия или отсутствия нормальных и наклонных трещин; вида арматуры- стальной, стеклопластиковой или комбинированной; уровня загружения и напряжений в арматуре.
Первые нормальные трещины во всех балках появились при достаточно близкой нагрузке N=7,8÷8,5кН. Второй этап их появления соответствовал нагрузке 9,5÷11 кН. В дальнейшем, до появления наклонных трещин, шло развитие только нормальных трещин, появившихся на первых этапах загружения. Момент появления трещин фиксировался визуально с использованием ацетоновой пробы и далее уточнялся по показаниям динамометра и других приборов, установленных на образцах. Подробнее об этом- в статье [1].
Деформативность балок резко увеличивалась сразу после появления нормальных или наклонных трещин; при напряжениях в стальной арматуре близких или равных пределу текучести, а в композитной- составляющих 500 и более МПа.
Приращение деформаций в балках с комбинированным армированием находилось в зависимости от процента замещения стальной арматуры на стеклопластиковую. Это связанно с тем, что количество трещин, а следовательно и их шаг в зоне чистого изгиба напрямую зависят от модуля упругости стеклопластиковой арматуры, которой в наших опытах составлял 5,5.104 вместо 2.105 МПа для стальной арматуры, т.е. в 3,63 раза ниже.
В балках, где стальная арматура полностью замещена на композитную, шаг нормальных трещин был вдвое меньше по сравнению железобетонными балками и составлял около 50мм. При этом ширина их раскрытия была близка к раскрытию трещин эталонных балок, шаг трещин у которых был в двое больше.
Первоначальная обработка результатов экспериментов, выполненная по журналам испытания всех балок, представлена в табл. 1. В указанной таблице на этапе, предшествующем разрушающему, приведены опытные значения прогибов балок после выдержки их под нагрузкой и их средине значение по каждой серии опытных образцов.
Из табл. 1 видно, что с увеличением процента композитного армирования, опытные значения прогибов балок резко увеличиваются и при 100% замене стальной арматуры на стеклопластиковую в 2,5 раза превышают прогибы эталонных образцов. Данный факт свидетельствует о том, что значение предельной прочности балок со стеклопластиковой арматурой , которая всего на 20% ниже эталонных, согласно [1], не является определяющей при общей оценке несущей способности балок с исследуемой композитной арматурой.
Таблица 1
Деформации опытных образцов, на этапе предшествующем разрушению.
Вид армирования
|
Серия образцов | Шифр балок | Опытные значения прогибов балок по сериям fi, мм. | Средние значения прогибов балок по сериям fexp,мм. | Отношение прогибов балок с композитной арматурой к прогибам эталонных образцов | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
Сталь 3ø12А600 |
I
|
Bs-1 | 8,65 | 8,92 | 1 | |
Bs-2 | 9,22 | |||||
Bs-3 | 8,89 | |||||
Стеклопластик 3ø12ССПА1200 |
II
|
Bg-1 | 22,55 | 22,75 | 2,55 | |
Bg-2 | 21,78 | |||||
Bg-3 | 23,92 | |||||
Комбинированное | 2ø12А600+ 1ø12ССПА1200 |
III
|
Bhg-4 | 9,35 | 9,73 | 1,091 |
Bhg-5 | 10,16 | |||||
Bhg-6 | 9,68 | |||||
2ø12А600+ 2ø12ССПА1200 |
IV
|
Bhg-7 | 15,35 | 15,28 | 1,713 | |
Bhg-8 | 15,95 | |||||
Bhg-9 | 14,54 |
Примечание: Деформации балки указаны с учетом выдержки под нагрузкой.
Для получения более достоверных данных о влиянии стеклопластиковой арматуры на прогибы опытных образцов, дополнительно был выполнен анализ по деформативности балок при различных уровнях нагрузки, составляющих 0,3;0,6 и 0,8 от разрушающей. Для этой цели были построены графики зависимости приращения прогибов балок на каждом этапе загружения. Анализ этих графиков представлен в табл.2
Из указанной таблицы видно, что образцы, у которых в сечении расположено более 30% площади композитной арматуры, имеют во всем диапазоне нагрузок значительно большие по сравнению с эталонными балками прогибы.
Наиболее показательны деформации опытных образцов, где стальная арматура полностью заменена на композитную. Для этих конструкций при эксплуатационных уровнях нагрузки прогибы увеличиваются в 2,7- 2,8 раза. Из этого следует, что при предельно допустимом относительном прогибе обычных балок, равном 1/200 от величины пролета, несущая способность опытных балок с использованием стеклопластиковой арматуры снижается с
30,5 кН.м до 13,5 кН.м, или в 2,26 раза. Таким образом, на несущую способность балок гораздо большее влияние оказывает не прочность композитной арматуры, а ее модуль упругости. Следовательно это существенным образом отразится и на надежности существующего расчетного аппарата.
На основе прямого сопоставления деформаций опытных образцов при различном сочетании стального и композитного армирования, можно сделать следующие выводы:
-
Опытные образцы, изготовленные из бетона класса В30, при замене стальной арматуры на композитную показали во всем диапазоне нагрузок повышенную деформативность,
Таблица 2
Изменение прогибов опытных балок армированных стальной, стеклопластиковой и комбинированной арматурой при различных уровнях нагрузки.
Серия образцов
|
Шифр балок | Класс бетона, МПа. | Опытные значения прогибов балок по сериям fexp, (мм) при уровнях нагрузки, Ni / Nult | Сопоставление средних значений прогибов балок с композитной арматурой с прогибами эталонных образцов при отношении Ni / Nult | |||||
0,3 | 0,6 | 0,8 | 0,3 | 0,6 | 0,8 | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
I
|
Bs-1 | 31,2 | 1,79 | 4,26 | 6,16 | 1 | 1 | 1 | |
Bs-2 | 1,9 | 4,48 | 6,6 | ||||||
Bs-3 | 1,83 | 4,34 | 6,32 | ||||||
II
|
Bg-1 | 32,8 | 5,05 | 12,67 | 17,43 | 2,77 | 2,81 | 2,69 | |
Bg-2 | 4,85 | 11,2 | 15,92 | ||||||
Bg-3 | 5,4 | 12,85 | 17,95 | ||||||
III
|
Bhg-4 | 28,4 | 1,79 | 4,37 | 6,44 | 1,04 | 1,06 | 0,63 | |
Bhg-5 | 2,06 | 4,81 | 7,18 | ||||||
Bhg-6 | 1,88 | 4,62 | 6,66 | ||||||
IV
|
Bhg-7 | 29,8 | 2,58 | 5,72 | 10,34 | 1,49 | 1,39 | 1,69 | |
Bhg-8 | 2,88 | 6,46 | 11,26 | ||||||
Bhg-9 | 2,79 | 5,97 | 10,65 |
Примечание: Символами Ni обозначена нагрузка, передаваемая непосредственно на траверсу через образцовый динамометр на разных этапах загружения; Nult-аналогичная нагрузка в момент разрушения балок.
которая более чем в 2,5 раза превышает прогибы эталонных балок.
-
Опытные прогибы балок с комбинированным армированием находятся в прямой зависимости от процента композитной арматуры. Стеклопластиковая арматура сечением менее 1/3 от общей ее площади, практически не влияет на увеличение прогибов. При изменении процента композитного армирования в большую сторону прогибы балок резко возрастают.
-
Доминирующим фактором при определении несущей способности нормальных сечений балок является не прочность стеклопластиковой арматуры а более низкий, чем у стали модуль упругости.
-
Пункты 1, 2 и 3 настоящих выводов свидетельствуют о том что в случае проектирования обычных конструкций с использованием стеклопластиковой арматуры, существующий расчетный аппарат подлежит серьёзной корректировке.
Литература.
-
П.П. Польской, Мерват Хишмах, Михуб Ахмад. «О влиянии стеклопластиковой арматуры на прочность нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона». : Эл. Журнал «Инженерный вестник Дона» №4, Ростов-на-Дону, 2012.