Расчет силовых нагрузок конструкций при испытаниях на отрыв

О прочности балок из тяжелого бетона при использовании стальной, угле-пластиковой и комбинированной арматуры, расположенной в два ряда

Д.Р. Маилян, П.П. Польской, МерватХишмах, К.В. Кургин

В Ростовском государственном строительном университете продолжены исследования, связанные с применением композитных материалов, используемых в качестве рабочей арматуры при изготовлении железобетонных конструкций. Работа выполняется согласно ранее разработанной программы [1].

В настоящей статье приводятся результаты испытания по прочности опытных образцов, в которых рабочая арматура расположена в два ряда. При этом, стальная арматура полностью или частично заменена на углепластико-вую. В комбинированно-армированных балках стальная и углепластиковая арматура менялись местами расположения, находясь в первом или во втором ряду. Образцы, имеющие только стальную арматуру, приняты эталонными. Они были запроектированы из бетона класса В35. Характеристика применяемых материалов, методика изготовления образцов и условия их хранения были такими же, как и в работах [2,3], что дает возможность сравнения результатов экспериментов выполнять методом прямого сопоставления.

Как и ранее, все опытные образцы (по три в каждой из четырех серий) имели постоянную длину - 200 см и прямоугольную форму сечения с размерами 125х250 мм. Монтажная арматура всех опытных балок была одинаковой и состояла из 206,5 В500. Поперечная арматура была представлена вязаными двухсрезными хомутами из проволоки того же диаметра и класса и располагалась с шагом 100 мм по всей расчетной длине балок.

Рабочая стальная арматура для эталонных балок (серия III) выполнена из четырех стержней 12 мм класса А600 с расположением в два ряда. Балки серии 1Уприняты с арматурой аналогичного диаметра, но из стержней углепластико-вой арматуры прочностью 2400 МПа. По аналогии с классом стальной арматуры она обозначена так же, как принято по западной терминологии СБИР. Балки

с комбинированным армированием (серия V) состояли из 20СБКР-2400, расположенных в первом ряду, и 20 А600 - во втором. В балках серии VI стальная и углепластиковая арматура была аналогичной, но поменялась местами расположения.

Опытные образцы испытывались по расчетной схеме однопролетной балки. Они загружались двумя сосредоточенными силами, расположенными в третях расчетного пролета, равного 160 см. Все балки испытывались в возрасте 910 месяцев ступенчато-возрастающей нагрузкой до разрушения с выдержкой на каждом этапе загружения по 10-15 минут. Интенсивность нагрузки на трех первых этапах до появления трещин и сразу после них составляла 4 кН, а последующих - 8 и 16 кН.

Контроль за величиной нагрузки, как и в балках других серий, осуществлялся по индикатору часового типа, установленному на образцовом динамометре с усилием 500 кН. Деформация сжатой грани бетона в зоне чистого изгиба и рабочей арматуры замерялись с помощью тензорезисторовсопротивления с базой 50 и 10 мм соответственно. Последние наклеивались на продольные ребра стальной арматуры или на очищенную от кварцевого песка поверхность уг-лепластиковых стержней. Изменение деформаций фиксировалось при помощи автоматического измерителя деформаций АИД-4М. Результаты проведенных испытаний, их первичная обработка, а также отдельные характеристики материалов указаны в табл. 1.

Проведенные испытания показали, что 6 образцов из 12 разрушились по нормальным сечениям из-за дробления бетона сжатой зоны. Это балки 111и IV серий, состоящие только из стальной или углепластиковой арматуры. Причиной разрушения нормальных сечений балок в третьей серии явились предельные деформации арматуры. Балки четвертой серии разрушились вследствие значительных прогибов.

Комбинированно армированные балки имели несколько другое разрушение. По одной балке из трех в Vи VI серияхразрушились по наклонному сече-

нию. Причиной явилось дробление бетона сжатой зоны над концом наклонной трещины и затем срез бетона. Другие балки этих серий разрушились вследствие действия моментов и поперечных сил одновременно в двух сечениях - нормальном и наклонном. Расположение композитной арматуры в первом или во втором ряду практически не сказалось на причинах разрушения опытных образцов.

Таблица 1

Опытная прочность балок, армированных стальной, углепластиковой и комби-

нированной арматурой при расположении в два ряда

Серия опытных образцов Шифр балок Класс бетона В, МПа Класс арматуры Площадь арматуры, см2 Разрушающее усилие, кНм Отношение средних значений моментов

стальная углепла-стиковая сталь As Композит As,c опытное значение Мехр среднее значение Ms, Ms,c М^Ж

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

III Б8-7 Б8-8 Б8-9 33,3 А600 - 4,52 - 44,46 44,64 43,44 44,24 1,0

IV Бс-10 Бс-11 Бс-12 31,9 - GFRP 2400 - 4,52 50,15 49,73 49,33 49,91 1,128

V БЬ-13 БЬ-14 БЬ-15 31,95 А600 OFRP 2400 2,26 2,26 45,56 44,82 45,16 45,18 1,021

VI БЬ-16 БЬ-17 БЬ-18 31,0 А600 OFRP 2400 2,26 2,26 45,7 45,81 46,16 45,89 1,037

Примечание: в столбцах 6 и 7 в числителе приведены сведения для второго ряда арматуры, а в знаменателе - первого.

Прямое сопоставление опытных данных (столбцы 9 и 10) показывает, что расположение углепластиковой несущей арматуры в два ряда незначительно повлияло на несущую способность нормальных сечений. Предельная прочность балок по серии IV в среднем всего на 13% выше по сравнению с эталонными балками. При этом ранее испытанные балки при меньшем по величине проценте композитного армирования увеличили прочность на 22% [3]. Добавим к этому, что расположение композитной арматуры в первом или во втором ряду, можно сказать, не повлияло на увеличение прочности.

Проведенный на основе прямого сопоставления анализ данных по прочности нормальных сечений не в полной мере отвечает критериям несущей способности изгибаемых элементов. Необходим учет деформативности опытных образцов, включая величину предельно допустимых прогибов балок. Из-за ограничения объема статьи указанное сопоставление выполнено в отдельной статье, помещенной на страницах настоящего сборника. По результатам эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Балки из тяжелого бетона с прочностью, соответствующей классам В30-В35, при двухрядном расположении 4-х стержней из круглой углепластиковой арматуры диаметром 12 мм, показали незначительное (в среднем по серии 13%) повышение прочности нормальных сечений по сравнению с эталонными образцами, армированными аналогично. И это при том, что углепластиковая арматура в 4 раза прочнее стальной.

2. Замена 50% стальной арматуры на углепластиковую незначительно сказалось на изменении прочности нормальных сечений и составило по сравнению с обычными железобетонными балками всего 2,1 и 3,7 % соответственно при расположении композитной арматуры в первом и втором ряду.

3. Комплексно армированные балки показали практически одинаковую прочность независимо от расположения углепластиковой арматуры в первом или во втором ряду. Расхождение составляет всего 1,5%.

4. Для окончательного суждения об эффективности использования угле-пластиковых стержней в качестве рабочей арматуры и рядности ее расположения необходимо сопоставить опытные прогибы эталонных балок с аналогичными образцами, имеющими композитную и комплексную арматуру.

Литература:

1. ПольскойП.П., Маилян Д.Р. Композитные материалы - как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений [Электронный ре-сурс]//«Инженерный вестник Дона», 2012, № 4. - Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307(доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз.рус.

2. Польской П.П.,МерватХишмах, Михуб Ахмад.О влиянии стеклопластиковой арматуры на прочность нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона [Электронный ресурс] //«Инженерный вестник Дона», 2012, №4, -Режим доступа:http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1304 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз.рус.

3. Польской П.П., ХишмахМерват, Михуб Ахмад. О возможности использования круглых углепластиковых стержней в качестве рабочей арматуры для изгибаемых элементов [Текст]// «Научное обозрение», 2012, №6, С. 211-213.

4. СП63.13330.2012: Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. [Текст] // ФАУ«ФЦС»,2012,155с.

5. ГОСТ 10180-90: Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.-Введ.1991-01-01[Текст] // Изд-во стандартов,1990, 36с.

6. ГОСТ 12004-81: Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. -Введ.01.07.1983[Текст] // Изд-во стандартов,1981, 11с.

7. ГОСТ 25.601-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах [Текст] // Межгос-ый стандарт, 1981, 9с.

8. ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний загружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. - Взамен ГОСТ 8829-85;введ. 01.01.1998. [Текст] // ГосстройРоссииГУПЦПП, 1997, 33с.

9. ACI 440.2R-02:Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures[Текст]// American Concrete Institute, 2002, 45р.

10. Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings^^^ // Singapore standard,2004, 225р.