Помощь студентам в учебе
Изгибаемые бетонные элементы балочного типа с композитной арматурой
|
Введение 3
Глава 1 Аналитический обзор композитной арматуры 10
1.1 Основные характеристики 11
1.2 Отличие композитной арматуры от стальной 13
1.3 Область применения композитной арматуры 14
1.4 Преимущества и недостатки композитной арматуры 15
1.5 Технология производства стеклопластиковой композитной арматуры 16
1.6 Технико-экономическое обоснование композитной арматуры 18
Вывод по главе 1 20
Глава 2 Экспериментальные исследования опытных образцов 22
2.1 Схема нагружения образцов балок и установка для проведения
испытаний 22
2.2 Характеристика опытных образцов балок 41
2.3 Программа исследований. Методика испытания балок изгибающим
моментом и определение опытных значений деформаций и предельных нагрузок 52
2.4 Обработка полученных результатов 61
Выводы по главе 2 76
Глава 3 Расчет несущей способности опытных образцов 77
3.1 Исходные данные 77
3.2 Методика расчета и расчет балок на прочность с применением
упрощенных диаграмм деформирования материалов 77
3.3 Результаты расчета. Сравнительный анализ опытных и расчетных
данных 92
Вывод по главе 3 94
Заключение 95
Список используемых источников 97
Глава 1 Аналитический обзор композитной арматуры 10
1.1 Основные характеристики 11
1.2 Отличие композитной арматуры от стальной 13
1.3 Область применения композитной арматуры 14
1.4 Преимущества и недостатки композитной арматуры 15
1.5 Технология производства стеклопластиковой композитной арматуры 16
1.6 Технико-экономическое обоснование композитной арматуры 18
Вывод по главе 1 20
Глава 2 Экспериментальные исследования опытных образцов 22
2.1 Схема нагружения образцов балок и установка для проведения
испытаний 22
2.2 Характеристика опытных образцов балок 41
2.3 Программа исследований. Методика испытания балок изгибающим
моментом и определение опытных значений деформаций и предельных нагрузок 52
2.4 Обработка полученных результатов 61
Выводы по главе 2 76
Глава 3 Расчет несущей способности опытных образцов 77
3.1 Исходные данные 77
3.2 Методика расчета и расчет балок на прочность с применением
упрощенных диаграмм деформирования материалов 77
3.3 Результаты расчета. Сравнительный анализ опытных и расчетных
данных 92
Вывод по главе 3 94
Заключение 95
Список используемых источников 97
В настоящий период времени почти для всех стран мира характерно увеличение объемов работ, связанных с необходимостью восстановления и поддержания эксплуатационной пригодности железобетонных конструкций. Опыт обследований показывает, что в ряде случаев в течение длительного времени используются конструкции, которые частично утратили свою несущую способность или близки к полному разрушению [24].
В железобетонных конструкциях, как в процессе эксплуатации, так и в до эксплуатационный период могут образоваться различные повреждения и дефекты, такие как нормальные трещины в растянутой зоне бетона и локальные горизонтальные трещины в бетоне сжатой зоны, они влияют на эксплуатационные качества конструкций: ширину и глубину раскрытия трещин, моменты трещинообразования, несущую способность, прогибы, а также на характер разрушения [30].
Для повышения надежности возводимых зданий и сооружений, эффективности применяемых материалов и конструкций проводится большой объем экспериментальных исследований. Основной задачей таких исследований является получение реальной картины напряженно- деформированного состояния конструкции и сооружения в целом при различных внешних воздействиях.
История появления композитных материалов в строительной сфере начинается с конца девяностых годов 20 века. Полимерными композитными материалами называют пластики, армированные высокопрочными волокнами. Пластики образуются в результате твердения полимерных компонентов, которые выполняют функцию матрицы, объединяя армирующие волокна.
В последние годы в проведении усиления строительных конструкций большое распространение получили композитные материалы на основании стеклопластика, они по сравнению с другими композитами имеют более высокий модуль упругости и расчетное сопротивление растяжению [31].
На сегодняшний день накоплено достаточно большое количество экспериментальных исследований в области применения композитных материалов в отечественной практике промышленного, гражданского, гидростроительного и транспортного строительства.
Определенный опыт накоплен в исследованиях эффективности применения технологии усиления композитными материалами на полномасштабных моделях конструкций зданий и сооружений.
По результатам изучения зарубежного опыта и отечественных исследований разработаны различные нормативные документы в виде стандартов и технических условий организаций, а также техническая литература.
В 2015 г. был утвержден первый отечественный свод правил СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами», в нем приведена методика расчета усиления изгибаемых бетонных элементов балочного типа по двум группам предельных состояний, а также установлены конструктивные требования.
Актуальность темы исследования
Железобетонные здания и сооружения являются весомой составной частью инфраструктуры недвижимого имущества. В связи с этим вопросам эксплуатации и ремонта сооружений должно уделяться значительное внимание. В процессе эксплуатации таких зданий и сооружений с целью обеспечения их механической безопасности часто возникает потребность в восстановлении или увеличении несущей способности отдельных конструкций из-за появления в них с течением времени дефектов и повреждений, или увеличения расчетных постоянных и временных нагрузок во время их реконструкции.
Новые технологии все больше затрагивают строительную отрасль и все чаще используют инновационные материалы, которые по техническим и экономическим показателям превосходят традиционные материалы. Одним из инновационных направлений в строительстве является использование стеклопластиковой арматуры, вместо традиционной металлической. Следовательно, тема данной диссертации, является актуальной.
Степень ее разработанности
Диссертационное исследование было основано на анализе и изучении научных работ отечественных и зарубежных специалистов ведущих научных институтов, учебных заведений и производителей композитных материалов.
Впервые метод расчета железобетонных конструкций зданий и сооружений, усиленных композитными материалами, был предложен д.т.н. А. А. Шилиным, д.т.н. С.А. Бокаревым, д.т.н. В.И. Шестериковым и к.т.н. Д. Н. Смердовым. Ими были разработаны методы расчета усиления железобетонных пролетных строений композитными материалами для мостов, расположенных на автомобильных дорогах.
Объект исследования
Бетонные балки, армированные стальной и стеклопластиковой арматурой.
Предмет исследования
Свойства бетонных балок, армированных стальной и стеклопластиковой арматурой.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является изучение механических характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа за счет их армирования композитной арматурой.
Основные задачи исследования
1. Исследование характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
2. Выполнить сравнительный анализ характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
3. Выполнить сравнительный анализ опытных и расчетных данных механических характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
Научная новизна работы
- проведен сравнительный анализ характеристик изгибаемых элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой;
- получены результаты экспериментальных исследований о характере деформаций в изгибаемых элементах балочного типа со стальной и композитной арматурой.
Теоретическая и практическая значимость работы
Состоит в том, что проведенные экспериментальные исследования деформативности изгибаемых элементов балочного типа с композитной арматурой позволяют выявить резервы для оптимизации характеристик материала конструкций зданий и сооружений с учетом параметров деформирования арматуры и бетона.
Методология и методы исследования
Основными моментами исследования стали современный метод оценки технического состояния железобетонных конструкций зданий и сооружений различного назначения, статистическая обработка результатов экспериментальных исследований.
Информационными источниками исследований стали действующие нормативные документы по проектированию и эксплуатации зданий и сооружений различного назначения.
Методологической основой работы послужили основы строительного материаловедения, опирающиеся на обобщение, эксперимент, сравнение, применение системного подхода. Исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТами с применением современного оборудования и аналитических методов.
Положения, выносимые на защиту
1. Сравнительная характеристика стальной и композитной стеклопластиковой арматуры.
2. Результаты экспериментальных исследований бетона, стальной и композитной арматуры.
3. Результаты экспериментальных исследований механических характеристик изгибаемых элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность научных исследований, выводов и результатов работы доказана с помощью проведения теоретических и экспериментальных способов определения механических характеристик конструкций изгибающих элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой, результаты которых подтверждена лабораторными исследованиями.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:
- заседании кафедры «Городское строительство и хозяйство» архитектурно-строительного института Тольяттинского государственного университета;
- на конференции студенческих научных работ архитектурно-строительного института Тольяттинского государственного университета.
Так же по теме исследования была опубликована статья в международном научном журнале «Синергия наук» выпуск №12 (июнь), 2017 года.
Личный вклад автора заключается в
- постановке цели и задач исследования механических характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой, определении величины несущей способности изгибаемых элементов;
- проведении экспериментальных исследований натурных образцов изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой;
- проведении расчета и сравнительного анализа полученных экспериментальных и расчетных данных.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа включает в себя:
- Введение, в котором была сформулирована актуальность темы диссертационной работы, намечены цели, задачи, объект и предмет исследования, методы и методология их проведения, научная новизна, личный вклад автора, степень достоверности и апробации результатов, а также положения, выносимые на защиту;
- Глава 1 Аналитический обзор композитной арматуры. В ней рассматриваются основные характеристики композитной арматуры, отличия от стальной арматуры, область применения, преимущества и недостатки, а также технико-экономическое обоснование ее применения;
- Глава 2 Экспериментальные исследования опытных образцов. В ней представлены схема нагружения образцов балок и установка для проведения испытаний, характеристики опытных образцов балок, программа исследований и методика их испытаний, а также результаты полученных данных;
- Глава 3 Расчет несущей способности опытных образцов. В данной главе рассматриваются исходные данные и методика расчета балок на прочность с применением упрощенных диаграмм деформирования материалов, а также выполнен сравнительный анализ опытных и расчетных данных;
- Заключение, в котором подводятся итоги выполненной диссертационной работы;
- Список используемой литературы, в котором представлен перечень различных источников, которые были использованы для выполнения данной диссертационной работы.
Объем диссертационной работы изложен на 105 листах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 24 таблицы, 36 источников используемой литературы
В железобетонных конструкциях, как в процессе эксплуатации, так и в до эксплуатационный период могут образоваться различные повреждения и дефекты, такие как нормальные трещины в растянутой зоне бетона и локальные горизонтальные трещины в бетоне сжатой зоны, они влияют на эксплуатационные качества конструкций: ширину и глубину раскрытия трещин, моменты трещинообразования, несущую способность, прогибы, а также на характер разрушения [30].
Для повышения надежности возводимых зданий и сооружений, эффективности применяемых материалов и конструкций проводится большой объем экспериментальных исследований. Основной задачей таких исследований является получение реальной картины напряженно- деформированного состояния конструкции и сооружения в целом при различных внешних воздействиях.
История появления композитных материалов в строительной сфере начинается с конца девяностых годов 20 века. Полимерными композитными материалами называют пластики, армированные высокопрочными волокнами. Пластики образуются в результате твердения полимерных компонентов, которые выполняют функцию матрицы, объединяя армирующие волокна.
В последние годы в проведении усиления строительных конструкций большое распространение получили композитные материалы на основании стеклопластика, они по сравнению с другими композитами имеют более высокий модуль упругости и расчетное сопротивление растяжению [31].
На сегодняшний день накоплено достаточно большое количество экспериментальных исследований в области применения композитных материалов в отечественной практике промышленного, гражданского, гидростроительного и транспортного строительства.
Определенный опыт накоплен в исследованиях эффективности применения технологии усиления композитными материалами на полномасштабных моделях конструкций зданий и сооружений.
По результатам изучения зарубежного опыта и отечественных исследований разработаны различные нормативные документы в виде стандартов и технических условий организаций, а также техническая литература.
В 2015 г. был утвержден первый отечественный свод правил СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами», в нем приведена методика расчета усиления изгибаемых бетонных элементов балочного типа по двум группам предельных состояний, а также установлены конструктивные требования.
Актуальность темы исследования
Железобетонные здания и сооружения являются весомой составной частью инфраструктуры недвижимого имущества. В связи с этим вопросам эксплуатации и ремонта сооружений должно уделяться значительное внимание. В процессе эксплуатации таких зданий и сооружений с целью обеспечения их механической безопасности часто возникает потребность в восстановлении или увеличении несущей способности отдельных конструкций из-за появления в них с течением времени дефектов и повреждений, или увеличения расчетных постоянных и временных нагрузок во время их реконструкции.
Новые технологии все больше затрагивают строительную отрасль и все чаще используют инновационные материалы, которые по техническим и экономическим показателям превосходят традиционные материалы. Одним из инновационных направлений в строительстве является использование стеклопластиковой арматуры, вместо традиционной металлической. Следовательно, тема данной диссертации, является актуальной.
Степень ее разработанности
Диссертационное исследование было основано на анализе и изучении научных работ отечественных и зарубежных специалистов ведущих научных институтов, учебных заведений и производителей композитных материалов.
Впервые метод расчета железобетонных конструкций зданий и сооружений, усиленных композитными материалами, был предложен д.т.н. А. А. Шилиным, д.т.н. С.А. Бокаревым, д.т.н. В.И. Шестериковым и к.т.н. Д. Н. Смердовым. Ими были разработаны методы расчета усиления железобетонных пролетных строений композитными материалами для мостов, расположенных на автомобильных дорогах.
Объект исследования
Бетонные балки, армированные стальной и стеклопластиковой арматурой.
Предмет исследования
Свойства бетонных балок, армированных стальной и стеклопластиковой арматурой.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является изучение механических характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа за счет их армирования композитной арматурой.
Основные задачи исследования
1. Исследование характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
2. Выполнить сравнительный анализ характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
3. Выполнить сравнительный анализ опытных и расчетных данных механических характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
Научная новизна работы
- проведен сравнительный анализ характеристик изгибаемых элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой;
- получены результаты экспериментальных исследований о характере деформаций в изгибаемых элементах балочного типа со стальной и композитной арматурой.
Теоретическая и практическая значимость работы
Состоит в том, что проведенные экспериментальные исследования деформативности изгибаемых элементов балочного типа с композитной арматурой позволяют выявить резервы для оптимизации характеристик материала конструкций зданий и сооружений с учетом параметров деформирования арматуры и бетона.
Методология и методы исследования
Основными моментами исследования стали современный метод оценки технического состояния железобетонных конструкций зданий и сооружений различного назначения, статистическая обработка результатов экспериментальных исследований.
Информационными источниками исследований стали действующие нормативные документы по проектированию и эксплуатации зданий и сооружений различного назначения.
Методологической основой работы послужили основы строительного материаловедения, опирающиеся на обобщение, эксперимент, сравнение, применение системного подхода. Исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТами с применением современного оборудования и аналитических методов.
Положения, выносимые на защиту
1. Сравнительная характеристика стальной и композитной стеклопластиковой арматуры.
2. Результаты экспериментальных исследований бетона, стальной и композитной арматуры.
3. Результаты экспериментальных исследований механических характеристик изгибаемых элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность научных исследований, выводов и результатов работы доказана с помощью проведения теоретических и экспериментальных способов определения механических характеристик конструкций изгибающих элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой, результаты которых подтверждена лабораторными исследованиями.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:
- заседании кафедры «Городское строительство и хозяйство» архитектурно-строительного института Тольяттинского государственного университета;
- на конференции студенческих научных работ архитектурно-строительного института Тольяттинского государственного университета.
Так же по теме исследования была опубликована статья в международном научном журнале «Синергия наук» выпуск №12 (июнь), 2017 года.
Личный вклад автора заключается в
- постановке цели и задач исследования механических характеристик изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой, определении величины несущей способности изгибаемых элементов;
- проведении экспериментальных исследований натурных образцов изгибаемых бетонных элементов балочного типа со стальной и композитной арматурой;
- проведении расчета и сравнительного анализа полученных экспериментальных и расчетных данных.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа включает в себя:
- Введение, в котором была сформулирована актуальность темы диссертационной работы, намечены цели, задачи, объект и предмет исследования, методы и методология их проведения, научная новизна, личный вклад автора, степень достоверности и апробации результатов, а также положения, выносимые на защиту;
- Глава 1 Аналитический обзор композитной арматуры. В ней рассматриваются основные характеристики композитной арматуры, отличия от стальной арматуры, область применения, преимущества и недостатки, а также технико-экономическое обоснование ее применения;
- Глава 2 Экспериментальные исследования опытных образцов. В ней представлены схема нагружения образцов балок и установка для проведения испытаний, характеристики опытных образцов балок, программа исследований и методика их испытаний, а также результаты полученных данных;
- Глава 3 Расчет несущей способности опытных образцов. В данной главе рассматриваются исходные данные и методика расчета балок на прочность с применением упрощенных диаграмм деформирования материалов, а также выполнен сравнительный анализ опытных и расчетных данных;
- Заключение, в котором подводятся итоги выполненной диссертационной работы;
- Список используемой литературы, в котором представлен перечень различных источников, которые были использованы для выполнения данной диссертационной работы.
Объем диссертационной работы изложен на 105 листах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 24 таблицы, 36 источников используемой литературы
1. Проведены теоретические исследования по композиционным материалам, применяемым в строительстве и выявлено, что наибольшее распространение получила композитная стеклопластиковая арматура, благодаря своим характеристикам:
- долговечность - составляет не менее 50 лет;
- температурный диапазон эксплуатации - -60 до +90°С;
- стойкость к воздействию электромагнитных волн;
- меньший вес по сравнению с другими материалами;
- простота установки и перемещения;
- коэффициент теплового расширения бетона с композитной арматуры практически идентичен, из-за чего при изменении температуры не образуется трещин.
2. Проведены экспериментальные исследования 4 балок, 2 из которых армированы стальной арматурой и 2 - композитной стеклопластиковой.
3. Разрушение балок происходило по нормальному сечению вследствие раздробления бетона сжатой зоны.
4. Теоретические расчеты по предлагаемой методике подтверждаются результатами численного и физического экспериментов. Значения несущей способности балок, полученные в результате предложенной методики, ниже экспериментальных в среднем на 4%.
5. Армирование балок из тяжелого бетона класса В25 стеклопластиковой арматурой, которая по сравнению со сталью в два раза прочнее, но имеет меньший модуль упругости, приводит к снижению несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов.
6. Существующий расчетный аппарат требует серьезной корректировки, так как завышает теоретическую прочность нормальных сечений прямо пропорционально проценту замещения стальной арматуры на стеклопластиковую. При полном отсутствии стальной арматуры расчетная прочность превышает экспериментальную.
7. Прогибы опытных образцов при замене стальной арматуры на стеклопластиковую, более чем в 2,4 раза превышает прогибы эталонных железобетонных балок во всем диапазоне нагрузок.
8. Деформации балок с композитным армированием находится в прямой зависимости от процента композитной арматуры. стеклопластиковая арматура сечением менее трети от общей ее площади, незначительно влияет на приращение прогибов. При росте процента композитного армирования прогибы балок резко увеличиваются.
9. Доминирующим фактором при определении несущей способности нормальных сечений балок является не прочность стеклопластиковой арматуры, а более низкий, чем у стали модуль упругости, что должно найти отражение при расчете балок армированных композитной арматурой по второй группе предельных состояний.
10. Для получения максимального эффекта от использования композитной арматуры, следует либо увеличить количество прутков армирования, либо использовать комбинированную арматуру.
11. Поставленные в данной диссертации задачи и цели достигнуты, однако требуется дальнейшее исследование несущей способности бетонных элементов, армированных большим количеством стальных и стеклопластиковых прутков, а также их комбинации.
- долговечность - составляет не менее 50 лет;
- температурный диапазон эксплуатации - -60 до +90°С;
- стойкость к воздействию электромагнитных волн;
- меньший вес по сравнению с другими материалами;
- простота установки и перемещения;
- коэффициент теплового расширения бетона с композитной арматуры практически идентичен, из-за чего при изменении температуры не образуется трещин.
2. Проведены экспериментальные исследования 4 балок, 2 из которых армированы стальной арматурой и 2 - композитной стеклопластиковой.
3. Разрушение балок происходило по нормальному сечению вследствие раздробления бетона сжатой зоны.
4. Теоретические расчеты по предлагаемой методике подтверждаются результатами численного и физического экспериментов. Значения несущей способности балок, полученные в результате предложенной методики, ниже экспериментальных в среднем на 4%.
5. Армирование балок из тяжелого бетона класса В25 стеклопластиковой арматурой, которая по сравнению со сталью в два раза прочнее, но имеет меньший модуль упругости, приводит к снижению несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов.
6. Существующий расчетный аппарат требует серьезной корректировки, так как завышает теоретическую прочность нормальных сечений прямо пропорционально проценту замещения стальной арматуры на стеклопластиковую. При полном отсутствии стальной арматуры расчетная прочность превышает экспериментальную.
7. Прогибы опытных образцов при замене стальной арматуры на стеклопластиковую, более чем в 2,4 раза превышает прогибы эталонных железобетонных балок во всем диапазоне нагрузок.
8. Деформации балок с композитным армированием находится в прямой зависимости от процента композитной арматуры. стеклопластиковая арматура сечением менее трети от общей ее площади, незначительно влияет на приращение прогибов. При росте процента композитного армирования прогибы балок резко увеличиваются.
9. Доминирующим фактором при определении несущей способности нормальных сечений балок является не прочность стеклопластиковой арматуры, а более низкий, чем у стали модуль упругости, что должно найти отражение при расчете балок армированных композитной арматурой по второй группе предельных состояний.
10. Для получения максимального эффекта от использования композитной арматуры, следует либо увеличить количество прутков армирования, либо использовать комбинированную арматуру.
11. Поставленные в данной диссертации задачи и цели достигнуты, однако требуется дальнейшее исследование несущей способности бетонных элементов, армированных большим количеством стальных и стеклопластиковых прутков, а также их комбинации.