О влиянии стеклопластиковой арматуры на прочрость нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона

Аннотация

П.П.Польской, Мерват Хишмах, Михуб Ахмад

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

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

05.23.08 - Технология и организация строительства

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- N_ult.

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  N_ult 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.

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:

1. 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.

Примечание: Символами N_i  обозначена нагрузка, передаваемая непосредственно на траверсу через образцовый динамометр на разных этапах загружения;  N_ult-аналогичная нагрузка в момент разрушения балок.

которая более чем в 2,5 раза превышает прогибы эталонных балок.

2. 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.

3. Доминирующим фактором при определении несущей способности нормальных сечений балок является не прочность стеклопластиковой арматуры а более низкий, чем у стали модуль упругости.

4. 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.

1. 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.