К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой.
П.П.Польской, Мерват Хишмах, Михуб Ахмад
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 Bhg-8 Bhg-9 |
15,35 15,95 14,54 |
15,28 |
1,713 |
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, |
Сопоставление средних значений прогибов балок с композитной арматурой с прогибами эталонных образцов при отношении |
||||
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.
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.