ON THE ADVANTAGES OF REPLACING STEEL REINFORCEMENT WITH COMPOSITE IN A REINFORCED BEAM

Full Text

Изучение работы новых материалов ведёт к развитию отрасли. В строительстве в XX столетии появился новый вид арматуры - композитная арматура. Исследователи рассматривают вариант замены стальной арматуры на современную композитную стеклопластиковую либо базальтопластиковую. Композитная арматура более долговечна по сравнению со стальной, что увеличивает срок службы всей конструкции. Однако ее высокая стоимость требует анализа целесообразности армирования конструкций этим видом арматуры. Композитная арматура - относительно новый материал на строительном рынке. Она производится из стеклопластиковых, базальтопластиковых, углепластиковых, арамидовых и комбинированных волокон [1]. Арматура, выполненная из таких материалов, имеет некоторые показатели, превосходящие стальную в два-три раза. Вопрос внедрения композитной арматуры рассматривался многими исследователями с разных позиций. В сравнительной табл. 1 [2] показаны характеристики стальной арматуры класса А400, стеклопластиковой и базальтопластиковой арматур. Композитная арматура обладает сопоставимыми со стальной арматурой сцепными свойствами [3], а для повышения адгезионных свойств на поверхность стержня напыляют песочное покрытие. О целесообразности использования композитной арматуры в железобетонных конструкциях говорил А. М. Уманский [4]. Он отмечает, что композитная арматура имеет большие перспективы для применения в конструкциях морских Т. Е. Гордеева, Б. Д. Пучков 5 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 3 Таблица 1 Сравнительная таблица характеристик стальной и композитной арматуры Критерий оценивания Металлическая арматура А400 Неметаллическая стеклопластиковая арматура Неметаллическая базальтопластиковая арматура Используемый материал Сталь 35ГС, 25ГС и др. Стеклянные волокна, связанные полимером Базальтовые волокна, связанные полимером Прочность при растяжении 360 МПа 1200 МПа 1300 МПа Модуль упругости 200 000 МПа 43 000 МПа 45 000 МПа Удлинение относительное 25 % 2,2 % 2,2 % Экологичность Экологична Экологична (имеется санитарно-эпидемиологическое заключение, не выделяет вредных и токсичных веществ) Срок службы По строительным нормам Минимум 80 лет Коррозийная стойкость к агрессивным средам Корродирует с выделением продуктов ржавчины Устойчива к коррозии, нержавеющий материал первой группы химической стойкости, в том числе к щелочной среде бетона Поведение под нагрузкой, зависимость «напряжениедеформация» Кривая линия, переходящая в площадку текучести под нагрузкой Прямая линия, упруго-линейная зависимость Теплопроводность Теплопроводна Низкая теплопроводность Электропроводность Электропроводна Нетеплопроводна - диэлектрик Область применения По строительным нормам Возможно использование во всех видах строительства, рекомендации НИИЖБ Длина От 6 до 12 м Любая, по желанию заказчика Плотность 7,6 т/м3 1,9 т/м3 Недостатки Коррозия, высокая стоимость Вероятность приобретения фальсифицированного товара при обращении к нелегальным поставщикам гидротехнических сооружений. А. М. Уманский обуславливает её преимущество тем, что композитная базальтопластиковая арматура имеет высокую химическую стойкость, низкий удельный вес, высокую прочность на разрыв, а также отсутствие требований по огнестойкости для гидротехнических сооружений. Применение композитной арматуры в гидротехническом строительстве может решить проблему коррозии стальной арматуры. Так, в своем исследовании Н.П. Фролов отмечает [5], что стальная арматура в конструкциях заводов синтетических волокон начинает корродировать в среднем через 4-5 лет, а на комбинатах минеральных удобрений срок службы железобетонных конструкций в среднем сокращается до 7 лет. Это связано с тем, что конструкции подвергаются обильным воздействиям серной кислоты, сероводорода и сернистого газа различных концентраций. В железобетонных конструкциях под воздействием таких сред происходит разрушение защитного слоя бетона и коррозия стальной арматуры. В исследовании проведено сравнение армирований стальной балки с различными видами композитной арматуры. Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 3 6 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Эксперимент проведен на математических моделях в программном комплексе ЛИРА-СА- ПР 2019 демо-версия. В программу заносится балка с габаритными размерами 200х400х6000 мм. Бетон конструкции класса В15.Расчётная схема балки - однопролётная шарнирно опертая балка (рис. 1). Равномерно распределённая нагрузка действует сверху вниз. Нагрузка складывается из двух компонентов: полезная нагрузка - 1 т/м; собственный вес - 0,2 т/м. Итого суммарная равномерно распределённая нагрузка на балку составляет q = 1,2 т/м. В эксперименте принимаются фиксированные показатели: расчетная схема, размеры сечения балки, действующие нагрузки, бетон конструкции. По результатам расчета получены следующие расчётные усилия в балке: максимальный момент My в середине пролета составляет 5,4 т·м (рис. 2); поперечная сила Qz на опорах составляет 3,6 т (рис. 3). Для опытов 1, 3, 5, 7, 8, 9 расстояние до центра тяжести рабочей арматуры принимается 40 мм. В опытах 2, 4, 6 испытываются балки с расстоянием до центра тяжести 60 мм. При расположении стержней в сечении необходимо учитывать требования СП 63.13330.2018, п. 10.3, где указаны требования к армированию железобетонной балки, а именно минимальные расстояния между стержнями арматуры, требования к величине защитного слоя бетона. Соблюдение данного пункта необходимо для обеспечения совместной работы арматуры с бетоном, а также качественного изготовления конструкции, связанного с укладкой и уплотнением бетонной смеси. Расчётные характеристики для стальной арматуры приняты в соответствии с СП 63.13330.2018. Расчётные характеристики для композитной арматуры приняты в соответствии с СП 295.1325800.2017. Результаты расчётов приведены в табл. 2. Рис. 2 Рис. 3 Рис. 1 Таблица 2 Расчетные характеристики композитной арматуры Номер опыта Класс арматуры Расстояние до ц.т. арматуры, мм Диаметр подобранной арматуры I группа предельных состояний II группа предельных состояний 1 А400 (стальная) а = 40 2 O18 (As = 5,09 см2) 2 O20 (As = 6,28 см2) 2 а = 60 4 O14 (As = 6,16 см2) 4 O16 (As = 8,04 см2) 3 АСК800 (стеклокомпозитная) а = 40 2 O16 (As = 4,02 см2) 2 O28 (As = 12,3 см2) 4 а = 60 4 O12 (As = 4,52 см2) 8 O14 (As = 12,31 см2) 5 АБК800 (базальтокомпозитная) а = 40 2 O14 (As = 3,08 см2) 2 O28 (As = 12,3 см2) 6 а = 60 4 O10 (As = 3,14 см2) 8 O14 (As = 12,31 см2) 7 АУК1400 (углекомпозитная) а = 40 2 O10 (As = 1,57 см2) 2 O20 (As = 6,28 см2) 8 ААК1400 (арамидокомпозитная) а = 40 2 O14 (As = 3,08 см2) 2 O25 (As = 9,82 см2) 9 АКК1000 (комбинированная) а = 40 2 O16 (As = 4,02 см2) 2 O25 (As = 9,82 см2) Примечание. В скобках указана расчётная площадь подобранной арматуры. Т. Е. Гордеева, Б. Д. Пучков 7 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 3 Балки, армированные стержнями класса АУК1400, ААК1400 и АКК1000, в связи с высокой стоимостью погонного метра не рассчитывались при расстоянии до центра тяжести рабочей арматуры 60 мм. При расчёте стоимости изготовления одной балки не будет учитываться стоимость работ по армированию и бетонированию балки, бетона и доставки материалов. При сравнении необходимо уточнить, что на данный момент на российском рынке цена за погонный метр углекомпозитной (АУК1400), арамидокомпозитной (ААК1400) и комбинированной (АКК1400) арматуры варьируется в пределах 800-1100 р./п.м. Из этого можно сделать вывод, что ввиду высокой стоимости армирование из углеродного, арамидного и комбинировонного волокна распространения не получило. Стоимость гнутых элементов отличается от стоимости прямого стержня, так как гнутый элемент производится только на заводе-изготовителе. В среднем завод-изготовитель увеличивает стоимость погонного метра прямого стержня на 20 % при одном загибе стержня. Необходимо отметить, что чем больше в сечении располагается арматурных стержней и элементов, тем выше получается стоимость работ для одной балки. Расчёт стоимости приведён в табл. 3. Таблица 3 Расчет стоимости работ Номер опыта Диаметр и вид арматуры Требуемое количество, п.м Стоимость, р./п.м Итого Всего 1 2O20 А400 11,9 96 1 142,40 2O12 А400 11,9 36 428,40 2 017,68 O8 А240 23,52 19 446,88 2 4O16 А400 23,8 64 1 523,20 2O12 А400 11,9 36 428,40 2 398,48 O8 А240 23,52 19 446,88 3 2O28 АСК800 11,9 175,6 2 089,64 2O10 АСК800 11,9 17,4 207,06 2 825,90 O8 АСК800 23,52 22,5 529,20 4 8O14 АСК800 47,6 39,4 1 875,44 4O10 АСК800 23,8 17,4 414,12 3 234,56 2O8 АСК800 42 22,5 945,00 5 2O28 АБК800 11,9 245,39 2 920,14 2O10 АБК800 11,9 24,54 292,03 3 840,01 O8 АБК800 23,52 26,694 627,84 6 8O14 АБК800 47,6 47,7 2 270,52 4O10 АБК800 23,8 24,54 584,05 3 975,72 2O8 АБК800 42 26,694 1 121,15 Вывод. Результаты исследования показали, что оптимальным аналогом для замены стальной арматуры на композитную является базальтокомпозитная арматура АБК800. По характеристикам она превосходит АСК800. Исходя из экономического сравнения, необходимо отметить, что композитную арматуру невозможно заменить во всех типах конструкций. Следовательно, её применение будет обоснованно в тех случаях, когда условия эксплуатации конструкции являются агрессивными и для арматуры необходимы такие свойства, как экологичность, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, химическая стойкость, а также возможность поставки арматуры в бухтах, в которых длина стержня в среднем составляет 50 м.

About the authors

Tatyana E. GORDEEVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Boris D. PUCHKOV

ZAO Neftekhimproekt

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files