аспирант с 01.01.2019 по 01.01.2023
Белгород, Белгородская область, Россия
студент
Россия
студент
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ОКСО 08.04.01 Строительство
ББК 38 Строительство
ТБК 5414 Строительные конструкции
BISAC ARC024000 Buildings / General
Ячеистый бетон активно используется в строительстве энергоэффективных преимущественно в качестве кладочного материала для вертикальных несущих конструкций. В то же время создание замкнутого теплового конура здания, лежащее в основе современных требований энергосбережения, рационально применением ячеистого бетона в несущих горизонтальных конструкциях, требующих армирования. Традиционно используемая в строительстве стержневая арматура малоэффективна в ячеистом бетоне из-за особенностей структуры материала и механизмов включения арматуры в работу — низкого удельного сцепления на границе арматуры с бетоном и существенно меньшей, чем у тяжелых бетонов распределительной способности пристержневого объема бетона, равномерно включающего в работу бетонное сечение элемента, следствием чего является недоиспользование прочности арматуры из-за ее продергивания в бетоне. Авторские исследования в области рационализации арматурных элементов, эффективных в ячеистых бетонах, направленные на увеличение поверхности контакта арматурного элемента с бетоном при сохранении исходной металлоемкости, позволяют рекомендовать к использованию в армированных ячеистобетонных конструкциях ленточное армирование — стальные зубчатые ленты, равной стержневой арматуре площади сечения, но обладающие развитой боковой поверхностью, обеспечивающей повышение прочности сцепления арматуры с бетоном и предупреждающей ее продергивание. В статье представлены результаты численного исследования параметров напряженно-деформированного состояния моделей армированных ячеистобетонных балок прямоугольного сечения, армированных предлагаемой ленточной арматурой в сравнении с традиционным стержневым армированием.
армированный ячеистый бетон, ячеистобетонные изгибаемые конструкции, ячеистобетонная балка, ячеистобетонная плита, ленточная арматура, стальная зубчатая лента
Введение. Принципы рационального проектирования железобетонных конструкций сводятся к решению двух основных задач: повышению прочности конструкции, позволяющей обеспечить высокий технический уровень и надежность готового изделия, за счет учета фактической работы конструкции под действием нагрузки, и обоснованию ее экономической эффективности и снижению расхода материалов за счет совершенствования методов оценки напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции [1]. Железобетон – композитный материал, представляющий собой совокупность массива хрупкого бетона с включаемой в работу пластичной арматурой, с особыми свойствами – анизотропией, контролируемым трещинообразованием и непостоянной деформативностью в зависимости от характера нагружения, определяющими нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями конструкции [2]. Ячеистый бетон обладает еще более специфическими свойствами и также физически нелинеен, что делает приоритетными вопросы уточнения реальных физических моделей армированного ячеистого бетона, с учетом ряда факторов, оказывающих существенное влияние на его работу в составе изгибаемых конструкций [3].
Методика. Расчет железобетонных конструкций в линейной постановке без учета физической нелинейности работы материала, допускаемый на стадия предварительной оценки металлоемкости армирования методологически несложен и позволяет дать верхнюю оценку прочности конструкции. Уточнение параметров НДС конструкций, особенно для расчета по предельным состояниям второй группы, требует применения физически нелинейных моделей деформирования бетона и арматуры, на что направлен достаточно развитый и верифицированный методологический инструментарий современных строительных правил в России и за рубежом [4]. Однако, с точки зрения рационального учета фактических условий работы арматуры в ячеистых бетонах, очевидно, существенно отличающихся от работы арматуры в тяжелом бетоне как по физической модели работы, так и получаемому распределению напряжений в состоянии равновесия конструкции, строительные нормы для ячеистобетонных конструкций (СП 351.1325800.2017) все еще опираются на принципы работы и правила проектирования арматуры в тяжелых бетонах, с включением некоторого количества эмпирических поправок в деформативные характеристики бетона. Авторам представляется существенной рационализация положений строительных правил, регулирующих проектирование армированных ячеистобетонных конструкций, внесением корректировок в описание физической модели работы арматуры в бетоне и включением в анализ параметров арматурных элементов, определяющих форму поперечного сечения, позволяющую повысить расчетную эффективность включения арматуры в работу конструкции и оптимизировать металлоемкость изделия [5]. С этой целью авторами проведены предварительные численные исследования моделей ячеистобетонных балок, армированных традиционной стержневой и инновационной ленточной арматурой, обладающей развитой боковой поверхностью для более эффективного сцепления со структурно неоднородным ячеистым бетоном [6]. Исследования проводились в программном комплексе ЛИРА-САПР, реализующем метод конечных элементов в перемещениях, формирование исходных данных осуществлялось с использованием положений действующих строительных правил, регулирующих проектирование бетонных и ячеистобетонных армированных конструкций [7, 15].
Основная часть. Установлено, что в отличие от обычного железобетона, предельное состояние которого по прочности в основном характеризуется прочностью вертикальных сечений от изгибающего момента и наклонных сечений от поперечной силы, конструктивный ячеистый бетон из-за сравнительно низкой прочности сцепления арматуры с бетоном имеет дополнительное характерное выражение предельного состояния по прочности – разрушение по наклонным сечениям от изгибающего момента вследствие продергивания арматуры [8]. Один из характерных примеров такого рода разрушения являются опытные образцы ячеистобетонных
армированных перемычек, произведенных и испытанных в 2018 г. по ГОСТ 8829 на ОАО «Бонолит – Строительные решения»(рис. 1)
Рис. 1. Разрушение армированной ячеистобетонной, испытанной ОАО «Бонолит – Строительные решения», с продергиванием растянутой арматуры
Для демонстрации большей эффективности для несущей способности ячеистобетонных изгибаемых конструкций армирования их арматурными элементами, обладающими развитой боковой поверхностью, было выполнено моделирование и сравнительный физически нелинейный расчет параметров напряженно-деформированного состояния армированных ячеистобетонных балок прямоугольного сечения 150×200 мм (b×h) пролетом 1,5 м из ячеистого бетона D500 B1,5, условно армированных традиционной стержневой и инновационной ленточной арматурой (стальными зубчатыми лентами) равной площади сечения [9]. Реализация физически нелинейного расчета и полный анализ фактического напряженно-деформированного состояния армированной ячеистобетонной балки в ходе исследования влияния ленточного армирования на несущую способность изгибаемых конструкций из ячеистого бетона, выполнена с учетом заданных диаграмм деформирования материалов конструкции на основе метода конечных элементов в ПК Лира-САПР 2020.
Прочностные и деформативные характеристики ячеистого бетона и стальной арматуры (А500 и аналогичного класса) принимались согласно СТО НААГ 3.1–2013 «Конструкции с применением автоклавного газобетона в строительстве зданий и сооружений. Правила проектирования и строительства», СП 63.13330.2018 и СП 351.1325800.2017. Прочностные и деформативные свойства ячеистого бетона задавались трехлинейной диаграммой с начальным модулем деформации Eb = 1300 МПа, прочностями бетона Rb,n = 1,4 МПа (Rb = 0,95 МПа) и Rbt,n = 0,22 МПа (Rbt = 0,09 МПа), коэффициентом ползучести jb,cr = 3,9 (для бетонов класса ниже В10), относительными деформациями бетона при продолжительном действии нагрузки при сжатии (1) и при растяжении (2).
eb1 = 0,6Rb/Eb,t (1)
eb1 = 0,0021, eb0 = 0,0034, eb2 = 0,0048,
eb1 = 0,6Rbt/Eb,t (2)
eb1 = 0,0002, eb0 = 0,00024, eb2 = 0,00031.
Прочностные и деформативные свойства стали задавались двухлинейной диаграммой с модулем деформации Es = 206000 МПа, прочностью стали Rs = 435 МПа, относительными деформациями стали es0 = Rs/Es = 0,0021, es2 = 0,025. Расчетное армирование балки моделировалось продольными стержнями d10 A500 и полосами 1,6×50 мм эквивалентной площади сечения (по одному стрежню в растянутой и сжатой зоне), поперечное армирование стержнями d5 А240 с
шагом 100 мм [10].
Модели балок нагружались равномерно распределенной по верхнему поясу нагрузкой, интенсивностью 10 кН/м, что соответствует экспериментально полученным в исследованиях ОАО «Бонолит – Строительные решения» значениям несущей способности по прочности балки сопоставимых размеров сечения и пролета.
Результаты расчета представлены ниже, и в целом, позволяют констатировать существенно более эффективное включение в работу, и как следствие, большую предполагаемую несущую способность ячеистобетонных балок, армированных элементами с развитой боковой поверхностью (стальными зубчатыми лентами) [11]. Так, расчетный прогиб балки, армированной стержнями круглого сечения (рис. 2, слева) составил до 1,5 мм, в то время как расчетный прогиб балки, армированной стальными лентами, не превысил 1,2 мм. Появлению трещин в растянутой зоне соответствовало 60 % полной нагрузки в случае стержневой арматуры и 80 % ленточной, что позволяет установить большую на 20 % жесткость балок, армированных лентами, при большем включении арматуры в работу.
Рис. 2. Расчетные прогибы численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (слева) и стальными лентами (справа) равного поперечного сечения, мм
Продольные сечения балок, приведенные на рис. 3 показали существенно меньшую концентрацию напряжений в приарматурных объемах бетона для балок, армированных ленточной арматурой. Так для бетона балок со стержневой арматурой значения главных продольных напряжений составило до 0,346 МПа, преимущественно сосредоточившись в пределах одного-двух конечных элементов вглубь от стержневой арматуры, что превышает прочность ячеистого бетона на растяжение до трех раз, и, очевидно, разрушив приарматурный слой, вызовет продергивание арматуры в реальных балках, в пределах четверти пролета с обоих опор [12]. Балка, армированная лентами, продемонстрировала существенно более равномерное распределение главных напряжений, максимально составляющих 0,17 МПа, что сопоставимо с нормативной прочностью ячеистого бетона на растяжение.
Армированная ленточной арматурой балка имеет большей высоты и полноты сжатую зону бетона нормальных пролетных сечений (рис. 4), меньшие на 15–20 % главные напряжения в наклонных опорных сечениях.
Большее и наиболее эффективное включение в работу стали ленточного арматурного элемента соответствует примерно равному уровню развиваемых в арматурных элементах внутренних усилий, представленному на рис. 6. Продольные усилия в стержневых элементах балки, армированной ими, составили 4,6 кН растяжения/сжатия, что при площади арматурного стержня d10 As = 79 мм2 составит 58 МПа, в то время как расчетные продольные напряжения в пластинах, моделирующих ленточное армирования той же площади сечения составляют 60,2 МПа.
Рис. 3. Расчетные главные напряжения в бетоне численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (вверху) и стальными лентами (внизу) равного поперечного сечения, МПа
Рис. 4. Расчетные главные напряжения в нормальных пролетных сечениях численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматуторй круглого сечения (слева) и стальными
лентами (справа) равного поперечного сечения, МПа
Рис. 5. Расчетные главные напряжения в наклонных опорных сечениях численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (слева) и стальными
лентами (справа) равного поперечного сечения, МПа
Рис. 6. Расчетные продольные усилия и напряжения в арматурных элементах численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (вверху) и стальными
лентами (внизу) равного поперечного сечения, кН, МПа
Выводы. Результаты численного эксперимента исследования параметров напряженно-деформированного состояния моделей армированных ячеистобетонных балок прямоугольного сечения армированных инновационной ленточной арматурой, позволяют установить не менее, чем двукратно более равномерное и эффективное распределение напряжений в бетоне у ленточных арматурных элементов, существенно меньшую опасность продергивания арматуры, и, как следствие, большую включенность арматуры в работу балки на предельных нагрузках, обеспечивающей ей большую несущую способность по обоим группам предельных состояний [13]. Данные результаты исследования планируется верифицировать натурным экспериментом, в ходе которого предполагается выполнить экспериментальные нагружения ячеистобетонных балок, схожих исследуемым моделям, двух типов: выполняемых из неавтоклавного бетона D500 B1,5, армированных стандартной стержневой арматурой А500 и ленточных армированием, для устройства которого предполагается использовать доступную монтажную неоцинкованную стальную ленту толщиной от 0,5 мм [14]. Реализация экспериментальных исследований в сочетании с численным моделированием позволит утвердить стабильный и ощутимый эффект ленточного армирования в ячеистобетонных конструкциях, параметризировать и формализовать методику проектирования армирования и осуществить рационализацию методических подходов и количественных показателей ленточных арматурных элементов, принимаемых при ресурсоэффективная проектировании изгибаемых конструкций домокомплектов, обеспечивающих полный переход на использование ячеистого бетона в ограждающих и несущих конструкциях и возведение энергоэффективных зданий с замкнутым тепловым контуром экономически конкурентоспособного ценового уровня.
1. Кладиева П.В. Направления совершенствования методических подходов к выбору рациональной теории прочности при проектировании изгибаемых армированных ячеистобетонных конструкций // Аспирант. 2020. № 5 (56). С. 157-160.
2. Kladieva P.V., Koshlich Yu.A. Improvement directions of technical regulations in the field of reinforced cellular concrete structures // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. 945. 012059 doihttps://doi.org/10.1088/1757-899X/945/1/012059
3. Наумов А.Е., Шевченко А.В., Долженко А.В., Бодяков С.Н., Гвасалия Х.Д. Исследование прочности контакта пластиковой трубы и бетона при расчете пластикотрубобетонных конструкций // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. № 9. С. 38-45
4. Макаричев В.В., Милейковская К.М. Исследование армированных конструкций из ячеистых бетонов. М.: Гостройиздат, 1963. 99 с.
5. Рудкова А.С., Весова Л.М. Использование дисперсного армирования в малоэтажном строительстве из ячеистого бетона // Инженерный вестник Дона. 2019. № 2 (53). С. 43.
6. Сотникова Е.Ю., Абакумов Р.Г., Наумов А.Е. Строительные материалы и технологии, используемые в ИЖС при застройке пригородных территорий г. Белгород // В сборнике: Актуальные проблемы развития социально- экономических систем: теория и практика. сборник научных статей 9-й Международной научно-практической конференции. Юго-Западный государственный университет, 2019. С. 170-180.
7. Кладиева П.В. Газобетон как перспективный строительный материал // Сборник научных статей 4-ой Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых «Наука молодых - будущее России» [10-11 декабря 2019 г.] / Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. С. 209-212.
8. Кладиева П.В. Направления совершенствования технологии армирования газобетонных несущих конструкций // Проектирование и строительство: Сборник научных трудов 4-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, магистрантов и бакалавров [13 марта 2020 г.] / Курск: Юго-Западный государственный университет, 2020. С. 143-146.
9. Fedyuk R.S., Baranov A.V., Mugahed Amran Y.H. Effect of porous structure on sound absorption of cellular concrete // Construction Materials and Products. 2020. 3 (2). Pp. 5-18. DOI:https://doi.org/10.34031/2618-7183-2020-3-2-5-18
10. Аль-хаснави Я.С.Г. Исследование работы балок из ячеистого бетона, армированных легкимистальными тонкостенными конструкциями // В сборнике: Инновационные методы проектирования строительных конструкций зданий и сооружений. сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции. Юго-Западный государственный университет. 2019. С. 11
11. Otsokov K.A. Innovative technologies in construction and their use in organizational and technological events // Construction Materials and Products. 2020. 3 (1). Pp. 7-13. DOI:https://doi.org/10.34031/2618-7183-2020-3-1-7-13
12. Martyanov E.I. Оptimization of the construction of a two-bladed stirrer to increase the energy efficiency of the apparatus // В сборнике: The World of Science without Borders. Материалы 7-ой Международной научно-практической конференции молодых учёных. Электронный ресурс. 2020. С. 105-109.
13. Глаголев Е.С., Ермолаева А.Э., Елистраткин М.Ю. Использование ячеистых бетонов в 3d аддитивной индустрии // В сборнике: Теоретические основы создания эффективных композитов. Сборник материалов Российской онлайн-конференции, посвященной Дню науки. 2018. С. 75-82.
14. Весова Л.М. Влияние армирующих волокон на структуру ячеистого бетона // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2020. № 2 (79). С. 107-112.
15. Varlamov A.A., Gavrilov B.V., Davydova A.M. Destruction model of idealized concrete structure by sawing // Construction Materials and Products. 2020. 3 (2). Pp. 46-54. DOI:https://doi.org/10.34031/2618-7183-2020-3-2-46-54
