Содержание
Перейти к:
Экспериментальные исследования прочности сжатых бетонных элементов, армированных композитной полимерной арматурой
https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-173-182
Аннотация
Введение. Многие железобетонные конструкции, подвергающиеся воздействиям различных агрессивных сред, работают в условиях внецентренного сжатия. Замена в таких конструкциях стальной арматуры на композитную полимерную (АКП) позволит значительно повысить их долговечность и снизить эксплуатационные издержки, однако ее применение сдерживается недостаточной изученностью вопросов, касающихся методов их проектирования. Большинство мировых нормативно-технических документов по проектированию бетонных конструкций, армированных АКП указывают о необходимости проведения детальных исследований напряженно-деформированного состояния подобных конструкций при сжатии.
Целью исследования являлось изучение влияния продольного и поперечного армирования на несущую способность сжатых бетонных образцов с продольным армированием стеклокомпозитными полимерными стержнями (АСК).
Материалы и методы. Исследования выполнены на бетонных образцах-призмах с различными параметрами продольного и поперечного армирования. Рассмотрены пять видов стеклокомпозитной арматуры, отличающихся физико-механическими характеристиками и параметрами анкеровочного слоя. Поперечное армирование образцов выполнено из металлических хомутов при их различном шаге. Испытания опытных образцов выполняли на центральное сжатие статической нагрузкой.
Результаты. Получены показатели прочности сжатых бетонных образцов, армированных стеклокомпозитной арматурой. Установлено увеличение до 19 % прочности армированных АСК сжатых бетонных элементов в сравнении с образцами без армирования.
Выводы. Прочность сжатых бетонных элементов при их армировании стеклокомпозитной арматурой повышается. Степень повышения прочности таких элементов зависит от количества продольной и шага поперечной арматуры. Влияние вида анкеровочного слоя АСК и значений ее сопротивления сжатию на прочность сжатых бетонных элементов в выполненных исследованиях не установлено.
Ключевые слова
При поддержке: Исследование выполнено в рамках договорных работ между АО «НИЦ «Строительство» и ФАУ «ФЦС».
Для цитирования:
Степанова В.Ф., Мухамедиев Т.А., Кудяков К.Л., Бучкин А.В., Юрин Е.Ю. Экспериментальные исследования прочности сжатых бетонных элементов, армированных композитной полимерной арматурой. Вестник НИЦ «Строительство». 2022;33(2):173-182. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-173-182
For citation:
Stepanova V.F., Mukhamediev T.A., Kudyakov K.L., Buchkin A.V., Yurin E.Yu. Experimental studies into the strength of compressed concrete elements reinforced with fiber-reinforced polymer rebars. Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2022;33(2):173-182. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-173-182
Введение
Многие внецентренно сжатые конструкции эксплуатируются в условиях воздействия различных агрессивных сред. Замена в таких конструкциях стальной арматуры на композитную полимерную (далее – АКП) позволит значительно повысить их долговечность и снизить эксплуатационные издержки.
Согласно указаниям отечественных и зарубежных нормативных документов по проектированию армированных АКП конструкций (за исключением [1]) расчеты по прочности выполняют без учета работы арматуры в сжатой зоне сечения. Это обусловлено недостаточной изученностью работы АКП в сжатой зоне сечения элемента.
Результаты исследований механических свойств АКП при осевом сжатии носят разноречивый характер, обусловленный несовершенствами методов испытаний, а также неоднородностью свойств АКП, зависящих от ее состава, характеристик сырьевых компонентов и технологии изготовления АКП. В связи с этим установленные испытаниями механические характеристики АКП при сжатии [2–13] значительно различаются: прочность АКП при сжатии составляла от 20 до 95 % от прочности при растяжении, а модуль упругости при сжатии – от 30 до 80 % его значения при растяжении.
В [9][10] установлена повышенная несущая способность армированных АКП сжатых бетонных образцов по сравнению с образцами без армирования. Отмечается влияние на несущую способность шага поперечных хомутов (стальных или из АКП).
В большинстве выполненных исследований сделан вывод о необходимости дальнейшего исследования влияния работы композитной арматуры в сжатой зоне сечения на прочность сжатых элементов.
Цель
Целью исследований являлось изучение влияния продольного и поперечного армирования на несущую способность сжатых бетонных образцов с продольными стеклокомпозитными полимерными стержнями (АСК).
Материалы и методы
Объектом исследований являлись бетонные образцы в виде призм с геометрическими размерами 150 × 150 × 600 мм (b × h × l). Испытания проведены на 39 (13 серий по 3 образца) бетонных образцах с различными параметрами продольного и поперечного армирования (табл. 1). Принципиальные схемы армирования образцов приведены на рис. 1.
При изготовлении образцов в качестве продольной арматуры использованы пять видов АСК, соответствующей требованиям ГОСТ 31938 [14] (табл. 2), и поперечные гнутые хомуты, выполненные из стальной арматуры Ø 6 А240 по ГОСТ 5781-82. Механические характеристики бетона определялись по результатам испытаний контрольных образцов по ГОСТ 24452 [15].
Для использованных видов АСК определены номинальный диаметр и плотность по методам ГОСТ 31938 [14] (табл. 2), предел прочности Rf, n и модуль упругости Еf при растяжении (по методам ГОСТ 32492 [16]); предел прочности Rfc и модуль упругости Еfc при сжатии (по ГОСТ 32492 [16] с учетом ГОСТ 4651) (табл. 3).
Испытания бетонных образцов с АСК выполнены на центральное сжатие с применением испытательной гидравлической машины Instron 1000HDX с поэтапным приложением статической нагрузки до разрушения образца.
Таблица 1
Параметры опытных образцов
Table 1
Test sample parameters
|
№ |
Шифр серии образцов |
Вид продольной арматуры (по табл. 2) |
Количество, шт., и диаметр арматуры, мм |
Коэффициент продольного армирования, % |
Параметры бетона |
Шаг поперечных хомутов Ø6 А240, мм |
|
1 |
Б.0.0 |
– |
– |
– |
Призменная прочность модуль упругости |
– |
|
2 |
П. 14.75 |
П 10 |
4Ø10 |
1,4 |
75 |
|
|
3 |
П. 28.75 |
П 10 |
8Ø10 |
2,8 |
||
|
4 |
П. 55.75 |
П 14 |
8Ø14 |
5,5 |
||
|
5 |
ПЭ.14.75 |
ПЭ 10 |
4Ø10 |
1,4 |
||
|
6 |
ПЭ.28.75 |
ПЭ 10 |
8Ø10 |
2,8 |
||
|
7 |
ПЭ.55.75 |
ПЭ 14 |
8Ø14 |
5,5 |
||
|
8 |
ППЭ.14.75 |
ППЭ 10 |
4Ø10 |
1,4 |
||
|
9 |
ППЭ.28.75 |
ППЭ 10 |
8Ø10 |
2,8 |
||
|
10 |
П. 14.150 |
П 10 |
4Ø10 |
1,4 |
150 |
|
|
11 |
П. 55.150 |
П 14 |
8Ø14 |
5,5 |
||
|
12 |
ПЭ.14.150 |
ПЭ 10 |
4Ø10 |
1,4 |
||
|
13 |
ПЭ.55.150 |
ПЭ 14 |
8Ø14 |
5,5 |
Таблица 2
Сведения об использованных видах АСК
Table 2
Information on the tested GFRP rebars
|
Шифр АСК |
Общий вид |
Тип материала, вид анкеровочного слоя |
Номинальный диаметр, мм |
Площадь поперечного сечения 1 стержня, мм 2 |
Плотность, г/см 3 |
|
П-10 |
Стеклокомпозит, периодический профиль |
9,24 |
67,09 |
2,00 |
|
|
ПЭ-10 |
Стеклокомпозит, песчано-эпоксидное покрытие |
10,09 |
79,92 |
2,09 |
|
|
ППЭ-10 |
Стеклокомпозит, песчано-эпоксидное покрытие с периодическим профилем |
10,27 |
82,78 |
2,16 |
|
|
П-14 |
Стеклокомпозит, периодический профиль |
14,46 |
164,2 |
2,14 |
|
|
ПЭ-14 |
Стеклокомпозит, песчано-эпоксидное покрытие |
14,30 |
160,6 |
2,05 |
Таблица 3
Усредненные результаты испытаний видов АСК на растяжение и сжатие
Table 3
Average results of tensile and compression tests of the GFRP rebars
|
Шифр образцов АСК (по табл. 2) |
Растяжение |
Сжатие |
Отношение показателей при сжатии и растяжении |
|||
|
ГОСТ 32492–2015 |
ГОСТ 32492–2015 |
ГОСТ 4651–14 |
||||
|
Rf, n, МПа |
Еf, ГПа |
Rfc, МПа |
Еfc, ГПа |
Rfc/Rf, n |
Efc/Ef |
|
|
П-10 |
1116 |
51,5 |
1044 |
35,1 |
0,94 |
0,68 |
|
ПЭ-10 |
1035 |
51,1 |
936,8 |
33,8 |
0,91 |
0,66 |
|
ППЭ-10 |
940 |
52,6 |
909,6 |
35,9 |
0,97 |
0,68 |
|
П-14 |
1064 |
51,9 |
1042,2 |
34,8 |
0,98 |
0,67 |
|
ПЭ-14 |
1073 |
52,2 |
947 |
34,3 |
0,88 |
0,66 |
Таблица 4
Относительная прочность опытных образцов, армированных АСК
Table 4
Relative strength of test samples reinforced with the GFRP rebars
|
Шифр серии |
Усредненная относительная прочность |
|
Б.0.0 |
1,00 |
|
П. 14.75 |
1,05 |
|
П. 28.75 |
1,11 |
|
П. 55.75 |
1,19 |
|
ПЭ.14.75 |
1,06 |
|
ПЭ.28.75 |
1,08 |
|
ПЭ.55.75 |
1,18 |
|
ППЭ.14.75 |
1,04 |
|
ППЭ.28.75 |
1,09 |
|
П. 14.150 |
1,02 |
|
П. 55.150 |
1,04 |
|
ПЭ.14.150 |
1,03 |
|
ПЭ.55.150 |
1,07 |
Результаты
Для всех образцов выявлен схожий характер деформирования и разрушения: деформирование образцов происходило линейно до достижения уровня нагрузки ≈ 0,9 от разрушающей (рис. 2, а), далее происходил резкий прирост деформаций с последующим хрупким разрушением образцов и «отстрелом» защитного слоя бетона по их периметру (рис. 2, б).
Разрушение опытных образцов сопровождалось потерей устойчивости АСК в результате ее «выпучивания» или ее срезом в местах примыкания к поперечным хомутам (рис. 3).
Рис. 1. Конструкция опытных образцов
Fig. 1. Design of test samples
Рис. 2. Общие виды испытаний опытного образца серии П. 55.75: а – образец при нагрузке, равной половине от разрушающей; б – разрушенный образец
Fig. 2. General tests of the P.55.75 test sample: а – sample with load equal to half of crushing load, б – crushed sample
Рис. 3. Типовая картина разрушения опытных образцов
Fig. 3. Typical view of test sample crushing
В таблице 4 приведены усредненные по сериям опытные значения прочности образцов с различными параметрами армирования АСК, отнесенные к среднему значению прочности образцов Б.0.0 без армирования (778 кН).
Полученные опытные данные указывают на прирост прочности бетонных образцов при сжатии с увеличением продольного армирования АСК. Наибольший прирост прочности зафиксирован для образцов с учащенным шагом (75 мм) поперечной арматуры. Их разрушение сопровождалось срезом продольной АСК. При разрушении образцов с шагом поперечной арматуры 150 мм наблюдалась потеря устойчивости арматуры на участке между хомутами.
Зависимость прочности сжатых бетонных элементов от вида анкеровочного слоя рассматриваемой АСК и значений ее сопротивления сжатию в рамках настоящих исследований не обнаружена.
Выводы
Прочность сжатых бетонных элементов при их армировании стеклокомпозитной арматурой повышается. Степень повышения прочности таких элементов зависит от количества продольной арматуры и шага поперечной арматуры. Для испытанных опытных образцов повышение прочности достигало 19 %.
Влияние вида анкеровочного слоя АСК и значений ее сопротивления сжатию на прочность сжатых бетонных элементов в выполненных исследованиях не установлено.
Список литературы
1. Минрегион Украины. ДСТУ-Н Б В.2.6-185:2012. Руководство по проектированию и изготовлению бетонных конструкций с неметаллической композитной арматурой на основе базальтового и стеклянного ровингов. Украина, Киев: Укрархбудінформ; 2011.
2. Степанова В.Ф., Степанов А.Ю., Жирков Е.П. Арматура композитная полимерная. Москва: АСВ; 2013.
3. ACI 440.1R-06. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. USA: American Concrete Institute; 2006. 4. ACI 440.1R-15. Guide for the design and construction of structural concrete reinforced with FRP Bars. USA: American Concrete Institute; 2015.
4. Лапшинов А.Е. Исследование работы СПА и БПА на сжатие. Вестник МГСУ. 2014;(1):52–57.
5. Лапшинов А.Е. Перспективы применения неметаллической композитной арматуры в качестве рабочей ненапрягаемой в сжатых элементах. Вестник МГСУ. 2015;(10):96–105.
6. Невский А.В. Прочность сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении [диссертация]. Томск; 2018.
7. Блазнов А.Н., Савин В.Ф., Волков Ю.П., Тихонов В.Б. Исследование прочности и устойчивости однонаправленных стеклопластиковых стержней при осевом сжатии. Механика композиционных материалов и конструкций. 2007;13(3):426–440.
8. Bondarenko Y., Spirande K., Iakymenko M., Mol'skii M., Oreshkin D. Study of the stress-strain state of compressed concrete elements with composite reinforcement. MATEC Web of Conferences. 2017;116: 02008. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711602008
9. Орешкин Д.А., Бондаренко Ю.В., Спиранде К.В., Мольский М.М. Экспериментальные исследования прочности и деформативности стеклопластиковой арматуры при сжатии и сжатых стеклопластбетонных элементов. Науковий вісник будівництва. 2016;(2):250–258.
10. Плевков В.С., Балдин И.В., Кудяков К.Л., Невский А.В. Прочность и деформативность арматуры композитной полимерной при статическом и кратковременном динамическом растяжении и сжатии. Вестник ТГАСУ. 2016;(5):91–101.
11. Плевков В.С., Тамразян А.Г., Кудяков К.Л. Прочность и трещиностойкость изгибаемых фибробетонных элементов с преднапряженной стеклокомпозитной арматурой при статическом и кратковременном динамическом нагружении. Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та; 2021.
12. Лапшинов А.Е., Мадатян С.А. Колонны, армированные стеклопластиковой и базальтопластиковой арматурой. В: Бетон и железобетон — взгляд в будущее: сб. тр. II Междунар., III Всеросс. конф. по бетону и железобетону; г. Москва, 12—16 мая 2014 г. Т. III. Москва; 2014. с. 67–77.
13. ГОСТ 31938–2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия. Москва: Стандартинформ; 2014.
14. ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. Москва: Стандартинформ; 2005.
15. ГОСТ 32492–2015. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Методы определения физико-механических характеристик. – Москва: Стандартинформ; 2016.
Об авторах
В. Ф. Степанова
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство»
Россия
Россия
Валентина Федоровна Степанова, д-р техн. наук, профессор, заведующая лабораторией коррозии и долговечности бетонных и ж/б конструкций,
2-я Институтская ул., д. 6, к. 5, г. Москва, 109428
Т. А. Мухамедиев
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство»
Россия
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
К. Л. Кудяков
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство»;
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»
Минобрнауки России (НИУ МГСУ)
Россия
Россия
Константин Львович Кудяков , канд. техн. наук, зав. сектором лаборатории коррозии и долговечности бетонных и ж/б конструкций, 2-я Институтская ул., д. 6, к. 5, г. Москва, 109428;
доцент кафедры железобетонных и каменных конструкций, Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337
А. В. Бучкин
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство»
Россия
Россия
Андрей Викторович Бучкин, канд. техн. наук, зам. зав. лабораторией коррозии и долговечности бетонных
и ж/б конструкций,
2-я Институтская ул., д. 6, к. 5, г. Москва, 109428
Е. Ю. Юрин
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство»
Россия
Россия
Евгений Юрьевич Юрин, аспирант, старший научный сотрудник лаборатории коррозии и долговечности бетонных и ж/б конструкций,
2-я Институтская ул., д. 6, к. 5, г. Москва, 109428
Рецензия
Для цитирования:
Степанова В.Ф., Мухамедиев Т.А., Кудяков К.Л., Бучкин А.В., Юрин Е.Ю. Экспериментальные исследования прочности сжатых бетонных элементов, армированных композитной полимерной арматурой. Вестник НИЦ «Строительство». 2022;33(2):173-182. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-173-182
For citation:
Stepanova V.F., Mukhamediev T.A., Kudyakov K.L., Buchkin A.V., Yurin E.Yu. Experimental studies into the strength of compressed concrete elements reinforced with fiber-reinforced polymer rebars. Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2022;33(2):173-182. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2224-9494-2022-2(33)-173-182
Просмотров:
553
Послать статью по эл. почте 