Податливость композитного стержня, вклеенного в бетон

• 1    Introduction / Введение

В настоящее время композитная арматура всё чаще используется в железобетонных и бетонных конструкциях, она замещает стальную и служит отличной альтернативой. В статье [1] сообщается о возможном применении композитной арматуры в малоэтажном строительстве, при армировании фундамента или возведении монолитных стен. Для увеличения возможного диапазона применения композитной арматуры в строительных конструкциях необходимо разработать нормативную базу, установить стандарты и нормы, определяющие качество арматуры, а также методы её контроля. Нормативная база сейчас не имеет должного обоснования и сейчас существует необходимость ее актуализации. Опубликованные в статьях [2][4] результаты свидетельствуют о значительном расхождении теоретических данных о появлении и развитии трещин от данных, полученных в ходе экспериментов. Примеры использования композитной арматурой можно найти в работах [5] – армирование асфальтобетона и [6] – армирование каменной кладки открытым способом с помощью матов.

Композитные материалы обладают более высокой прочностью, что может позволить создавать более легкие и прочные бетонные конструкции. Такие материалы обладают более высокой стойкостью к циклическим нагрузкам и другим внешним воздействиям, что может увеличить долговечность конструкций. В статьях [1], [7] приведено сравнение параметров композитной и стальной арматуры. Композитная арматура имеет более высокую коррозионную стойкость, что особенно важно для бетонных конструкций, которые подвержены воздействию агрессивных сред, таких как вода и соли, которые могут вызывать преждевременное разрушение стальной арматуры. Подтверждение эффективности и преимуществе композитной арматурой над стальной можно найти в статьях [8]–[10]. В статье [11] отмечается, что более тонкие волокна композитной арматуры имеют более высокие прочностные свойства. Это объясняется меньшим количеством дефектов в волокнах из-за меньшей площади сечения.

Для проверки теоретических значений, полученных в ходе численных экспериментов и расчётов, необходимо проведение испытаний. Эксперименты на выдергивание вклеенных композитных стержней на выдергивание из бетона позволят определить податливость клеевого слоя. В статье [12] описаны эксперименты, проведенные для изучения поведения стальной арматуры при выдергивании, а также для изучения характеристики сцепления бетона и арматурной стали при воздействии повышенной температуры. В результате экспериментов показано, что при продолжительном нагреве стальной арматуры сильно уменьшается прочность бетона. Так при 120 минутах нагрева прочность бетона уменьшается на 65.2%. В [13] представлены четырнадцать экспериментов, которые были проведены с целью исследования влияния типа бетона, глубины заделки и диаметра болта на особенности соединений.

В статьях [14]–[15] описываются экспериментальное исследование на выдергивание композитной арматуры. Данные исследования подтверждают возможное использование композитных стержней в теле несущих конструкций. В [15] представлены эксперименты, выполненные с целью изучения поведения при выдергивании на высокой скорости глубоко установленных полос из углепластика, приклеенных с помощью гибкого вязко-эластичного пластикового клея к кирпичной кладке из глины. Статьи [16]–[18] посвящены использованию эпоксидного клея для соединения стальных элементов.

В работе [19] даётся обширный обзор клеевых соединений, включающий в себя анализ результатов экспериментальных исследований. В статье подробно рассматриваются различные характеристики таких соединений при циклическом воздействии нагрузок и влиянии различных факторов. Примеры использования эпоксидного клея для новых вариантов соединения бетонных элементов представлены в статьях [20] и [21]. Совмещение клеевого соединения из эпоксидного клея и композитной арматуры для соединения двух железобетонных элементов также представлено в работах [22]–[25].

В исследовании, представленном в работе [26], сравниваются сухое соединение и соединение с использованием эпоксидного клея. Результаты исследования, приведенного в статье, показывают, что сухое соединение сборных железобетонных блоков открывается при нагрузке на 27% меньше, чем соединение с эпоксидным связующим.

В работе [27] представлены два новых метода соединения колонны с балкой с использованием стальных пластин. Эти соединения отличаются простотой в монтаже и не требуют временных опор. Испытания, проведенные на четырех образах, показали, что прочность соединений сборных железобетонных элементов при изгибе достаточна для предложенной в статье конструкции. Исследование [28] рассматривает применение металлических закладных в тело бетона для создания болтовых сухих соединений между колонной и балкой в железобетонных конструкциях. Авторы исследования отмечают, что в настоящее время недостаточно информации о применении таких сухих соединений, что усложняет эксплуатацию таких типов соединений сборного железобетона.

В статье [29] отмечается необходимость замены стальной арматуры на композитную, обусловленную воздействием коррозии и длительными сроками монтажа. В статье приводятся результаты испытания новых соединений сборных железобетонных конструкций с использованием полимера, армированного стекловолокном. В статье [30] представлен узел соединения в пролёте балки, выполненный с использованием металлических пластин и болтов. Показано, что разрушающая нагрузка у составной железобетонной балки со стыком в пролёте выше, чем у монолитной. Соединение сборных железобетонных элементов применяется не только в каркасах зданий. Например, в статье [31] исследуются выносные соединения железобетонных плит, образующих подземный арочный мост. В статье приведены полномасштабные исследования данного моста.

Анализ современных научных публикаций показывает, что тема данной публикации является актуальной и недостаточно исследованной. В частности, нет исследований по анализу работы композитных стержней в узловых соединениях железобетонных конструкций. Цель данного работы состоит в проведении численного исследования вклеенного соединения композитных стержней в бетонный блок с целью получения данных о его податливости при различных уровнях нагружения. Анализ соединения необходимо выполнить с учетом физической нелинейности деформирования бетона, стальной арматуры и композитных стержней, находящихся в зоне соединения между двумя железобетонными элементами. Полученные данные о податливости клеевого слоя позволят получить более точное представление о соединении железобетонных элементов с использованием композитных стержней.

2 Materials and Methods / Материалы и методы

При использовании для соединения железобетонных блоков вклеиваемых композитных стержней необходимо учесть их дополнительную податливость за счет деформаций клеевого слоя. Чтобы не вводить клеевой слой в конечно-элементную схему, можно определить дополнительную податливость из расчета на выдергивание композитного стержня из бетонного элемента и использовать ее для определения пониженной жесткости конечных элементов композитных стержней, расположенных между соединяемыми блоками.

В данной работе рассматривается бетонный элемент с поперечным сечением 150х150мм и длиной 400мм. В центре бетонного элемента, в отверстие диаметром 40мм и глубиной 300мм, вклеивается композитный стержень диаметром 20мм (рис. 1). Композитный стержень выступает за грань бетонного элемента на величину A l = 60 mm . Бетонный элемент также дополнительно усилен стальной арматурой (рис. 2).

В силу симметрии задачи, для уменьшения количества конечных элементов рассчитывается четверть бетонного элемента (рис. 1 и 2) с соответствующими граничными условиями. К выступающей наружной грани композитного стержня прикладывается равномерно распределенная нагрузка, которая моделирует выдергивающую силу.

Рис.1 – Общий вид железобетонного элемента

Fig.1 – General form of the reinforced concrete element

epoxy adhesive epoxy adhesive composite reinforcement beam steel reinforcement 400/         ,

75jsteel reinforcement composite reinforcement

Рис.2 – Схема армирования железобетонного элемента

Fig.2 – Reinforcement scheme of concrete element

Расчет стержня на выдергивание выполняется методом конечных элементов в программном комплексе ЛИРА-САПР . Бетон моделируется 6- и 8-гранными объемными конечными элементами (рис. 3) с учётом физической нелинейности. Диаграмма напряжение–деформация для бетона принимается в виде экспоненциальной зависимости (рис. 4). Характерный размер сетки для объемных конечных элементов бетона принят 4мм.

Рис.3 – Фрагмент конечно-элементной модели бетонного элемента

Fig.3 – Finite element model fragment of the concrete element

Рисунок ранее опубликован в статье Tyukalov, Y. and Ashikhmin, S. (2023) Quickly constructed joint of precast concrete arch elements. Construction of Unique Buildings and Structures; 107.

Рис.4 – Диаграмма нелинейного деформирования бетона и стальной арматуры

Fig.4 – The non-linear deformation diagrams of concrete and steel reinforcement

Для предотвращения разрушения бетонного элемента от растягивающих напряжений в элемент добавлена стальная арматура, которая моделируется линейными конечными элементами с учётом физической нелинейности (рис. 4). Композитная арматура деформируются упруго и моделируется 6- и 8-гранными объемными конечными элементами без учёта физической нелинейности. Композитные стрежни вклеиваются в тело бетона с помощью эпоксидного клея, который также моделируется объемными КЭ без учета физической нелинейности.

Целью расчета является определение разности перемещений д( qy) конца композитного стержня и бетонной грани, из которой выступает стержень, в зависимости от величины выдергивающей силы. Далее определяем зависимость деформаций выступающей части стержня от величины растягивающих напряжений а = qy:

s ( . (1) ^V ’ A l

Полученная зависимость задается в виде кусочно-ломанной диаграммы с т - s (для растяжения) для конечных элементов композитных стержней, которые располагаются в промежутках между сборными блоками. Для отрицательных деформаций (сжатие) принимается линейная зависимость с начальным модулем упругости. Таким образом будет учтены деформации клеевого слоя растянутых связующих композитных стержней.

Данные о податливости при растяжении, за счет деформаций клеевого слоя, композитных стержней необходимы для более точного расчета узлового соединения сборной железобетонной рамы. Исследование такого узла, без учета возможной податливости клеевого соединения композитных стержней, опубликовано в статье [20].

Рисунок ранее опубликован в статье Tyukalov, Y. and Ashikhmin, S. (2023) The joint of precast reinforcement frame elements using composite rods. Construction of Unique Buildings and Structures; 109.

Рис.5 – Соединение элементов сборной железобетонной рамы

Fig.5 – Precast concrete frame connection

400x400mm

Рисунок ранее опубликован в статье Tyukalov, Y. and Ashikhmin, S. (2023) The joint of precast reinforcement frame elements using composite rods. Construction of Unique Buildings and Structures; 109.

Рис.6 – Схема стыка сборной железобетонной рамы

Fig.6 – Connection diagram of a prefabricated reinforced concrete frame

3 Results and Discussion / Результаты и обсуждение

Для численного анализа податливости соединения композитной арматуры с бетоном выполнен расчет бетонного стержня. Рассматривались нагружения горизонтальной равномерно-распределенной нагрузкой q_y наружной грани композитного стержня (рис. 7).

Рис.7 – Схема бетонного элемента с вклеенным композитным стержнем

Fig.7 – Diagram of a beam with a glued composite rod

Бетонный элемент армирован стальной арматурой класса А-III. Композитный стержень с модулем упругости равным 50000 МПа обозначен на рисунках красным цветом. Диаметр композитной арматуры равен 20мм. Модуль упругости для эпоксидного клея принят равным Е=75000 МПа и обозначен бирюзовым цветом. Нелинейный расчет выполнен шаговым методом, количество шагов для нагружений равно 10. Расчетные выдергивающие усилия приняты из исследования, опубликованного в статье [20].

Результаты расчета (рис. 8) показывают, что максимальное напряжение композитной арматуры достигается в выступающей из железобетонного блока арматуре и имеет линейный характер снижения напряжения к середине стержня.

Рис.8 – Напряжения в балке

Fig.8 – Beam stress

По результатам физически нелинейного расчёта на выдёргивание вклеенной композитной арматуры получена зависимость деформаций композитного стержня от напряжений (табл. 1). Деформация в стержне определяется разностью перемещений конца композитного стержня и ближайшей точки грани бетонного элемента (1).

Таблица 1. Зависимость деформаций композитного стержня от напряжений

Table 1. Dependence of composite rod deformations on stresses

ε	σ , кН/м2
-0.02	-500000
0	0
0.00878	55067.6
0.01767	110135
0.02317	165203
0.03567	220270
0.04583	275338
0.05783	330406
0.072	385473
0.08783	440541
0.1055	495608
0.1245	550676

0.2         650000

При расчете сборной железобетонной рамы, полученная диаграмма деформирования (рис. 9) применяется к композитным стержням, находящимся в стыке между колонной и балкой (красные элементы на рис. 10).

Рис.9 – Диаграмма деформирования композитных стержней, расположенных между блоками

Fig.9 – The deformation diagram of composite rods located between blocks

Рис.10 – Конечные элементы композитных стержней, расположенные между блоками

Fig.10 – The composite rods finite elements located between blocks

Для оценки влияния податливости клеевого соединения был выполнен расчет сборной железобетонной рамы [20] с учетом податливости клеевого соединения и без. Рассматривалось два варианта нагружения: равномерно распределенной вертикальной нагрузкой, приложенной к ригелю, и горизонтальной сдвигающей силой, приложенной к верху колонн.

На рис. 11–12 предоставлены результаты расчетов для первого и второго вариантов нагружения соответственно. Красная линия обозначает результаты, полученные с учетом податливости клеевого слоя, синим – без учета.

Рис.11 – Вертикальное перемещение точки середины ригеля.

Fig.11 – Vertical displacement of the crossbar center point.

Рис.12 – Горизонтальное перемещение верха рамы

Fig.12 – Horizontal displacement of the frame top

Расчеты не выявили критичных изменений в напряжениях бетона. В схеме с учётом податливости напряжения в бетоне уменьшились не более чем на 5%.

Рис.13 – Напряжения в бетоне для двух расчетов

Fig.13 – Stresses in concrete for two calculations

Сравнение расчетов показывает, что учёт податливости клеевого слоя композитного стержня увеличивает деформации всей схемы, но даёт более реальную оценку состоянию конструкции под действием нагрузки. При этом предельная максимальная вертикальная и горизонтальная нагрузка уменьшилась не более чем на 5% от первоначальной.

Для определения более реального состояния конструкции под нагрузкой предполагается выполнить ряд экспериментальных опытов по вытягиванию вклеенных в бетон композитных стержней.

• 4 Conclusions / Заключение

• 1.    Выполнен численный анализ податливости клеевого слоя при выдергивании вклеенного композитного стержня из бетонного блока. По результатам физически нелинейного расчёта получена зависимость деформаций композитного стержня от напряжений с учетом податливости клеевого слоя.

• 2.    Проведена оценка влияния податливости клеевого слоя на величины перемещений и разрушающей нагрузки сборной железобетонной рамы. Исследования показали, что максимальная вертикальная и горизонтальная разрушающая нагрузка при учете податливости клеевого слоя, уменьшилась не более чем на 5%.

• 3.    Для более точной оценки податливости клеевого слоя планируется выполнить экспериментальные исследования по вытягивания вклеенных композитных стержней из бетона.