Preview

Вестник НИЦ «Строительство»

Расширенный поиск

Расчет прочности внецентренно сжатых бетонных элементов с композитной полимерной арматурой

https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-150-160

Полный текст:

Аннотация

Введение. Экспериментами установлено, что при определенном конструировании прочность внецентренно сжатых элементов возрастает за счет работы композитной полимерной арматуры, расположенной в сжатой зоне сечения. Однако зависимости для расчета прочности внецентренно сжатых элементов, представленные в действующем своде правил по проектированию бетонных конструкций с композитной полимерной арматурой, не позволяют выполнить учет ее работы на сжатие, а потому требуют уточнения.

Цель исследования – разработка методики расчета прочности армированных композитной полимерной арматурой внецентренно сжатых бетонных элементов с учетом ее работы в сжатой зоне сечения.

Материалы и методы. Методика расчета прочности внецентренно сжатых элементов с учетом работы арматуры в сжатой зоне сечения разработана с учетом положений действующих норм проектирования и проверена данными экспериментальных исследований, выполненных отечественными и зарубежными исследователями.

Результаты. Получены результаты проверки надежности методики расчета экспериментальными данными испытаний опытных образцов, армированных угле-, стекло- и базальтопластиковой стержневой арматурой с различными видами профиля. Установлено, что при расчете внецентренно сжатых элементов точность и надежность с использованием предложенных зависимостей для вычисления высоты сжатой зоны сечения элементов сопоставима с точностью расчета по зависимостям, принятым в действующем своде правил по проектированию бетонных конструкций с композитной полимерной арматурой.

Выводы. Предложенные зависимости для вычисления высоты сжатой зоны сечения обеспечивают достаточную точность расчетов прочности внецентренно сжатых бетонных элементов без учета сжатой арматуры и позволяют выполнять расчеты с учетом работы композитной полимерной арматуры на сжатие. 

Для цитирования:


Мухамедиев Т.А., Майоров С.А. Расчет прочности внецентренно сжатых бетонных элементов с композитной полимерной арматурой. Вестник НИЦ «Строительство». 2022;33(2):150-160. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-150-160

For citation:


Mukhamediev T.A., Maiorov S.A. Strength calculation of eccentrically compressed concrete elements with a composite polymer reinforcement. Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2022;33(2):150-160. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-150-160

Введение

В своде правил по проектированию бетонных конструкций с композитной полимерной арматурой (АКП) СП 295.1325800.2017 [1] расчет элементов по прочности рекомендовано выполнять методом предельных усилий или по деформационной модели. Физические соотношения для расчета таких элементов приняты на основе положений, установленных для расчета железобетонных конструкций, но с учетом особенностей свойств композитной арматуры. В связи с низким сопротивлением композитной полимерной арматуры осевому сжатию в своде правил [1] при расчете прочности элементов работа арматуры в сжатой зоне сечения не учитывается. Вместе с тем экспериментально установлено [4], что при определенном конструировании прочность внецентренно сжатых элементов возрастает за счет работы сжатой композитной арматуры, и в ряде случаев это целесообразно учитывать в расчетах. Однако принятая в [1] методика расчета внецентренно сжатых элементов не позволяет выполнить расчеты их прочности с учетом работы арматуры в сжатой зоне сечения. Для выполнения таких расчетов необходимо принять правила нормирования расчетного сопротивления арматуры осевому сжатию Rfc, а также установить зависимости для вычисления высоты сжатой зоны элемента с учетом работы сжатой арматуры.

Цель

Целью исследования, результаты которого приведены в статье, является разработка методики расчета прочности внецентренно сжатых бетонных элементов, армированных композитной полимерной арматурой, с учетом ее работы в сжатой зоне сечения.

Материалы и методы

Методику расчета прочности армированных композитной полимерной арматурой внецентренно сжатых элементов с учетом работы арматуры в сжатой зоне сечения разрабатывали на основе положений [1] и проверяли данными экспериментальных исследований, выполненных отечественными и зарубежными исследователями.

При расчете методом предельных усилий условие прочности внецентренно сжатых элементов с учетом работы арматуры в сжатой зоне сечения будет иметь вид (рис. 1):

(1)

Высоту сжатой зоны сечения внецентренно сжатых элементов определяют по формулам, устанавливаемым в зависимости от уровня напряжений в растянутой арматуре в предельном по прочности состоянии.

Если в предельном по прочности состоянии напряжения в растянутой арматуре σдостигают ее сопротивления осевому растяжению R, то высоту сжатой зоны определяют из равенства внешних и внутренних продольных сил в сечении:

. (2)

Композитная полимерная арматура имеет низкий модуль упругости и высокое сопротивление осевому растяжению, поэтому в предельном по прочности состоянии напряжения в композитной арматуре, как правило, не достигают своих предельных значений. Принятая в [1] для этого случая формула для вычисления высоты сжатой зоны сечения элемента не позволяет учитывать работу арматуры в сжатой зоне сечения и потому потребовала изменения.

Для этого были рассмотрены два варианта определения высоты сжатой зоны сечения при расчете прочности внецентренно сжатых элементов методом предельных усилий.

В первом варианте для определения высоты сжатой зоны сечения использована принятая для конструкций со стальной арматурой линейная зависимость напряжений σf от относительной высоты сжатой зоны сечения ξ = x/h0 в пределах от ее граничного значения ξR = xR/h0 до 1: от Rf (при ξ  ξR) до минус Rfc (при ξ = 1) (рис. 2), учитывая при этом, что для композитной полимерной арматуры R≠ Rfc :

 .(3)

Из совместного решения уравнений (2) и (3) высота сжатой зоны сечения прямоугольной формы при ξ > ξR составит:

.(4)

При расчете элемента без учета сжатой арматуры в формуле (4) достаточно принять Af = 0 и Rfc = 0. Полученная зависимость будет отличаться от принятой в [1]:

(5)

Во втором варианте для определения высоты сжатой зоны сечения внецентренно сжатых элементов с учетом сжатой арматуры также, как и в [3], использовали гипотезу линейного распределения относительных деформаций бетона и арматуры по высоте сечения элемента (рис. 1):

(6)

В этом случае зависимость для вычисления высоты сжатой зоны сечения определили из совместного решения уравнений (2) и (6), принимая в уравнении (2) вместо параметра Rf напряжение в растянутой арматуре в предельном по прочности состоянии, равное σf = ɛf × E× Af

(7)

где

Принимая в формуле (7) µ'f = 0, получим зависимость для расчета элемента без учета сжатой арматуры

(8)

Результаты

Сравнение высоты сжатой зоны сечения элемента, вычисленной по зависимостям (5) и (8), показало, что значения высоты сжатой зоны элемента, получаемые по формуле (8) и принятой в [1] формуле близки между собой, а формула (5) приводит к более высоким значениям. Например, для внецентренно сжатого с эксцентриситетом e = h0 элемента прямоугольного сечения из бетона класса B25, армированного композитной арматурой с характеристиками R= 600 МПа и E= 50000 МПа, с увеличением коэффициента армирования µf = Af /(b×h0)до 2,8 % расхождение достигает 46 % (рис. 3).

При этом расчетные значения несущей способности элемента, вычисленные с использованием зависимости (5), также более высокие. Так, для элемента с рассмотренными выше характеристиками бетона и арматуры с увеличением коэффициента армирования до 2,8 % значение прочности повышается до 21 % (рис. 4).

Влияние предложенных зависимостей для высоты сжатой зоны сечения на точность расчета несущей способности внецентренно сжатого элемента оценивали по результатам расчетов опытных образцов. Для этого были собраны и проанализированы результаты экспериментальных исследований опытных образцов, испытанных на внецентренное сжатие отечественными и зарубежными исследователями. Всего в обработку было включено 180 образцов с прямоугольной формой поперечного сечения, при разрушении которых соблюдалось условие ξ > ξR. Выборка включала опытные образцы, армированные угле-, стекло- и базальтопластиковой стержневой арматурой с различными видами профиля. Расчеты опытных образцов методом предельных усилий выполнили с определением высоты сжатой зоны сечения образцов в предельном по прочности состоянии по указаниям [1] и по формулам (5) и (8). Работу арматуры в сжатой зоне сечения в расчетах не учитывали. Сопоставление опытных значений несущей способности опытных образцов с расчетными, вычисленными по трем вариантам расчета, показаны на рис. 5.

Рис. 1. Схема усилий и деформаций в нормальном сечении внецентренно сжатого элемента прямоугольного сечения при расчете его прочности

Fig. 1. Diagram of forces and deformations in the normal section of an eccentrically compressed element with a rectangular cross-section during strength calculations

Рис. 2. Расчетная зависимость напряжений в арматуре от относительной высоты сжатой зоны сечения внецентренно сжатого элемента

Fig. 2. Calculated dependence of reinforcement stresses on the relative height of a compressed cross-sectional area in an eccentrically compressed element

Рис. 3. Сравнение относительной высоты сжатой зоны в предельном по прочности состоянии элемента, вычисленной по зависимостям [1] – ξ, по формуле (5) – ξ* и формуле (8) – ξ**

Fig. 3. Comparison of the compressed area relative height in the ultimate strength state of an element calculated by the dependencies of [1] – ξ, according to formula (5) – ξ* and formula (8) – ξ**

Рис. 4. Сравнение расчетной несущей способности внецентренно сжатых элементов, вычисленной методом предельных усилий с использованием зависимости (5) – N* и (8) – N** и зависимости, принятой в [1] – Nult

Fig. 4. Comparison of the bearing capacity for eccentrically compressed elements calculated by the critical force method using dependences (5) – N* and (8) – N**, as well as the dependence adopted in [1] – Nult

Рис. 5. Отношение опытной несущей способности образцов и расчетной, вычисленной методом предельных усилий с использованием зависимости (5) – а, (8) – б, и зависимости, принятой в [1] – в

Fig. 5. The ratio of the experimental sample bearing capacity and that calculated by the critical force method using dependences (5) – а and (8) – б, as well as the dependence adopted in [1] – в

Рис. 6. Гистограммы распределений отношения опытной несущей способности образцов и ее расчетных значений, вычисленных с использованием формулы (5), формулы (8) и зависимостей, принятых в [1] для вычисления высоты сжатой зоны сечения

Fig. 6. Distribution histograms for the ratio of experimental bearing capacity and its values calculated using formula (5), formula (8), and dependences accepted in [1] for calculating the height of a compressed cross-sectional area

Для общей выборки среднее значение отношения опытной и расчетной несущей способности составило:

– 1,030 при среднеквадратическом отклонении 0,207 – при расчете с использованием для вычисления высоты сжатой зоны сечения образцов принятой в [1] зависимости;

– 0,923 при среднеквадратическом отклонении 0,187 – при расчете с использованием зависимости (5) для вычисления высоты сжатой зоны сечения;

– 1,143 при среднеквадратическом отклонении 0,195 – при расчете с использованием зависимости (8) для вычисления высоты сжатой зоны сечения.

В целом результаты расчетов прочности опытных образцов, выполненных с использованием всех рассмотренных зависимостей для вычисления сжатой зоны сечения, близки к опытным значениям их несущей способности.

Выводы

Таким образом, использование предложенных зависимостей (5) и (8) для вычисления высоты сжатой зоны сечения с одной стороны обеспечивает высокую точность расчетов внецентренно сжатых бетонных элементов без учета сжатой арматуры, а с другой – позволяют выполнять расчеты прочности с учетом работы композитной полимерной арматурой на сжатие.

Список литературы

1. СП 295.1325800.2017 Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования. Москва: Стандартинформ; 2017.

2. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Москва: Стандартинформ; 2019.

3. Мухамедиев Т.А., Кузеванов Д.В. К расчету по прочности изгибаемых конструкций из бетона с композитной арматурой. Строительная механика и расчет сооружений. 2016;(4):18–22.

4. Лапшинов А.Е., Тамразян А.Г. К влиянию поперечного армирования на прочность и деформативность сжатых бетонных элементов, армированных композитной полимерной арматурой. Строительство и реконструкция. 2018;(4):20–29.

5. Фридман Л.С. Прочность и трещиностойкость внецентренно сжатых бетонных элементов, предварительно напряженных стеклопластиковой арматурой: дис. ... канд. техн. наук. Минск; 1983.

6. Уманский А.М. Совершенствование методов расчета конструкций морских гидротехнических сооружений из композитобетона с использованием базальтопластиковой арматуры: дис. ... канд. техн. наук. Владивосток; 2017.

7. Невский А.В. Прочность сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении: дис. ... канд. техн. наук. Томск; 2018.

8. Alwash N.A., Jasim A.H. Behavior of short concrete columns reinforced by CFRP bars and subjected to eccentric load. International Journal of Civil Engineering and Technology. 2015;6(10);15–24.

9. Duy N.P., Anh V.N., Minh N., Anh T., Polikutin A.E. Load-carrying capacity of short concrete columns reinforced polymer bars under concentric axial load. International Journal of Engineering and Advanced Technology. 2018;9(2):1712–1719. https://doi.org/10.35940/ijeat.b2372.129219

10. Elchalakani M., Ma G. Tests of glass fibre reinforced polymer rectangular concrete columns subjected to concentric and eccentric axial loading. Engineering Structures. 2017;151:93–104. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.08.023

11. Fan X., Zhang M.. Behavior of inorganic polymer concrete columns reinforced with basalt FRP bars under eccentric compression: An experimental study. Composites Part B: Engineering. 2016;104:44–56. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.08.020

12. Guerin M., Mohamed H.M., Benmokrane B., Nanni A., Shield C.K. Eccentric behavior of full-scale reinforced concrete columns with glass fiber-reinforced polymer bars and ties. ACI Structural Journal. 2018;115(2):489–499. https://doi.org/10.14359/51701107

13. Guerin M., Mohamed H.M., Benmokrane B., Shield C.K., Nanni A. Effect of glass fiber-reinforced polymer reinforcement ratio on axial-flexural strength of reinforced concrete columns. ACI Structural Journal. 2018;115(4):1049–1061. https://doi.org/10.14359/51701279

14. Hadi M.N., Youssef J. Experimental investigation of GFRP-reinforced and GFRP-encased square concrete specimens under axial and eccentric load, and four-point bending test. Journal of Composites for Construction. 2016;20(5). https://doi.org/10.1061/(asce)cc.1943-5614.0000675

15. Khorramian K., Sadeghian P. Experimental and analytical behavior of short concrete columns reinforced with GFRP bars under eccentric loading. Engineering Structures. 2017;151:761–773. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.08.064

16. Othman Z.S., Mohammad A.H. Behavior of eccentric concrete columns reinforced with carbon fibre-reinforced polymer bars. Advances in Civil Engineering. 2019;2019:1–13. https://doi.org/10.1155/2019/1769212

17. Salah-Eldin A., Mohamed H.M., Benmokrane B. Axial-Flexural performance of high-strength-concrete bridge compression members reinforced with basalt-FRP bars and ties: experimental and theoretical investigation. Journal of Bridge Engineering. 2019;24(7). https://doi.org/10.1061/(asce)be.1943-5592.0001448

18. Xue W., Peng F., Fang Z. Behavior and design of slender rectangular concrete columns longitudinally reinforced with fiber-reinforced polymer bars. ACI Structural Journal. 2018;115(2):311–322. https://doi.org/10.14359/51701131


Об авторах

Т. А. Мухамедиев
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» 2-я Институтская ул., д. 6, к. 5, г. Москва, 109428
Россия

Тахир Абдурахманович Мухамедиев, д-р техн. наук, главный научный сотрудник лаборатории теории железобетона и конструктивных систем,

2-я Институтская ул., д. 6, к. 5, г. Москва, 109428



С. А. Майоров
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство»
Россия

Станислав Александрович Майоров , ведущий инженер лаборатории теории железобетона и конструктивных систем,

2-я Институтская ул., д. 6, к. 5, г. Москва, 109428



Рецензия

Для цитирования:


Мухамедиев Т.А., Майоров С.А. Расчет прочности внецентренно сжатых бетонных элементов с композитной полимерной арматурой. Вестник НИЦ «Строительство». 2022;33(2):150-160. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-150-160

For citation:


Mukhamediev T.A., Maiorov S.A. Strength calculation of eccentrically compressed concrete elements with a composite polymer reinforcement. Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2022;33(2):150-160. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-150-160

Просмотров: 83


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2224-9494 (Print)
ISSN 2782-3938 (Online)