Харківська державна академія залізничного транспорту
Салія Гурам Шалвович
УДК 624.012.46+624.016.5
Попередньо напружені конструкції зниженої енерговитратності зі склопластиковим і стальним армуванням
Спеціальність 05.23.01 - будівельні конструкції,
будівлі та споруди
Автореферат
диссертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Харків -1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі залізобетонних і кам'яних конструкцй Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти України та в Сухумській лабораторії склопластикових конструкцій Інституту космічних споруд Грузинського технічного університету Міністерства освіти Грузії.
Офіційні опоненти:
- доктор технічних наук , професор Клімов Юлій Анатолійович, Київський науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач відділу теорії та методів розрахунку залізобетонних конструкцій;
- доктор технічних наук , професор Пустовойтов Володимир Павлович, Харківська державна академія міського господарства, завідувач кафедри будівельної механіки;
- доктор технічних наук , професор Стороженко Леонід Іванович, Полтавський державний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, професор кафедри конструкцій із метала , дерева і пластмас.
Провідна установа:
- Український зональний науково-дослідний і проектний інститут з цивільного будівництва (ВАТ "КиївЗНДІЕП") Державного Комітету України у справах будівництва, архітектури і житлової політики (м. Київ).
Захист відбудеться 13 травня 1999 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.820.02 Харківської державної академії залізничного транспорту за адресою: 310050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківської державної академії залізничного транспорту за адресою: 310050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7.
Автореферат розісланий 13 квітня 1999 г.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, канд. техн. наук, доцент Єрмак Є.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Попереднє напруження є одним із основних шляхів підвищення ефективності несучих конструкцій. Збільшуючи тріщиностійкість, воно забезпечує можливість перекриття великих прольотів і застосування високоміцної стальної арматури. Використання склопластикової або інших видів неметалевої арматури без попереднього напруження взагалі обтяжливо через її високу деформативність. Проте попередньо напружені конструкції, що випускаються підприємствами будівельної індустрії, дуже енергоємкі, що в умовах ринку, дефіциту енергоресурсів обумовлює їхню високу вартість.
Серйозну проблему представляють анкерування неметалевої арматури, її захист від впливів середовища бетону, застосування в монолітних, статично невизначених конструкціях.
Особливі труднощі обумовлює відсутність, наприклад, у Грузії виробництв, які випускають неметалеву і високоміцну стальну арматуру для попередньо напружених конструкцій, що потребує створення нових ефективних видів неметалевої арматури і методів її виготовлення, які відповідають наявним можливостям, а також неенергоємких шляхів застосування стальної арматури класу А-ІІІ, яка випускається металургійними підприємствами Грузії та України,
у попередньо напружених конструкціях.
Наявність підприємств з агресивними середовищами, відсутність бази по виготовленню конструкцій, що мають високу корозійну стійкість, діелектричні та інші цінні експлуатаційні показники, доцільність використання вітчизняної стальної арматури, підвищена енерговитратність і вартість попередньо напружених елементів диктують необхідність проведення досліджень у зазначених напрямках.
Мета роботи - створення попередньо напружених елементів і систем зниженої енерговитратності з склопластиковим і стальним армуванням, розробка принципів їх конструювання і розрахунку з урахуванням фізичної і геометричної нелінійності.
Основні задачі дослідження:
1. Створити самозаанкерену склопластикову арматуру, що забезпечує можливість попереднього напруження склопластбетонних конструкцій при мінімумі енерговитрат.
2. Експериментально дослідити властивості розробленої склопластикової арматури.
3. Запропонувати ефективні попередньо напружені склопластбетонні конструкції зниженої енерговитратності на основі використання розроблених видів склопластикової арматури.
4. Розробити конструкції з багатоетапним натягуванням склопластикової арматури і методику розрахункового визначення його параметрів.
5. Створити попередньо напружені склопластбетонні конструкції зниженої енерговитратності з зовнішнім і внутрішнім склопластиковим армуванням, що полімеризуєтьтся безпосередньо у виробі.
6. Експериментально дослідити роботу запропонованих попередньо напружених склопластбетонних конструкцій при дії механічних, електричних і кліматичних факторів.
7. Розробити комбіновані конструкції з склопластбетоннних і склопластикових елементів.
8. Розробити локально попередньо напружені залізобетонні конструкції заводського виготовлення зниженої енерговитратності і систему їх обтиснення.
9. Створити систему деформаційного зміцнення арматури без використання енергоємких висаджених голівок.
10. Провести експериментальні дослідження з оцінки можливості використання арматури класу А-III в локально попередньо напружених конструкціях.
11. Побудувати принципи розрахунку розроблених конструкцій з урахуванням фізичної нелінійності та особливостей їх роботи в цілому.
12. Впровадити результати роботи.
Наукову новизну роботи складають:
- розроблені принципи створення склопластикової арматури, встановлені закономірності її деформування при короткочасній і тривалій дії навантаження;
- запропоновані принципи конструювання попередньо напружених елементів зі склопластиковою арматурою, що має петльові, анкерні закінчення;
- розроблене багатоетапне натягування арматури попередньо напружених склопластбетонних згинальних елементів і методика розрахунку його параметрів;
- методика оцінки втрат напружень в арматурі запропонованих склопластбетонних конструкцій;
- експериментально виявлені закономірності деформування розроблених попередньо напружених склопластбетонних конструкцій;
- принцип одержання попередньо напружених елементів зниженої енерговитратності зі склопластиковою зовнішньою і внутрішньою арматурою, що полімеризується в конструкціях , і результати експериментальних досліджень ефективності обтиснення;
- запропоновані шляхи направленого формування ефективних комбінованих конструкцій зі склопластикових і попередньо напружених склопластбетонних елементів;
- експериментальне обгрунтування можливості застосування арматури класу А-III у локально попередньо напружених залізобетонних конструкціях;
- принципи зниження енерговитратності локально попередньо напружених залізобетонних конструкцій заводського виготовлення;
- запропоновані підходи до розрахунку розроблених конструкцій з урахуванням фізичної нелінійності та особливостей, обумовлених застосованими способами їхнього попереднього напруження.
Практична значимість роботи полягає в тому, що розроблені нові види арматури, способи їх одержання, попередньо напружені конструкції на їх основі, системи зміцнення, розроблений розрахунковий апарат відкривають широкі можливості зведення будівель і споруд як спеціального, так і масового характеру зі зниженою витратою енергетичних і матеріальних ресурсів, високим ступенем індивідуалізації, збільшеними прольотами і сітками колон, що забезпечують одержання вільних площ із гнучким, трансформуємим плануванням.
Особисто отримані дисертантом результати, що виносяться на захист:
- новий тип склопластбетонних попередньо напружених конструкцій зі стержневою самозаанкерною арматурою, яка не контактує з бетоном;
- нові види склопластикової самозаанкереної арматури і неенергоємкі способи її одержання;
- експериментально встановлені закономірності роботи запропонованої арматури при короткочасній і тривалій дії навантаження;
- дані експериментальних досліджень розроблених склопластбетонних конструкцій;
- спосіб багатоетапного натягування склопластикової арматури і методика розрахункового визначення параметрів зазначеного натягування;
- розроблені попередньо напружені бетонні елементи з зовнішнім склопластиковим армуванням, яке одержується способом намотки і контактного формування, а також конструкції з комбінованим армуванням;
- дані експериментальних досліджень роботи елементів із зовнішнім склопластиковим армуванням при впливі механічних, електричних навантажень і зовнішнього середовища;
- комбіновані конструкції на основі склопластбетонних і склопластикових елементів;
- енергозберігаюча система механічного зміцнення арматури класу А-ІІІ за допомогою розроблених установок, без використання висаджених голівок;
- експериментальне обгрунтування можливості використання арматури класу А-ІІІ в локально попередньо напружених конструкціях;
- локально попередньо напружені залізобетонні конструкції зниженої енерговитратності заводського виготовлення;
- принципи розрахунку розроблених конструкцій з урахуванням фізичної нелінійності та особливостей їх роботи;
- дані про впровадження запропонованих конструкцій.
Апробація результатів дисертаційної роботи. Головні положення і результати роботи доповідались на Міжнародному конгресі МКПК-98 "Просторові конструкції в новому будівництві і при реконструкції будівель і споруд" (Москва, 1998 р.), Міжнародних конференціях "Удосконалення будівельних матеріалів, технологій, методів розрахунку конструкцій у нових економічних умовах" (м. Суми, 1994 р.), "Промисловість будматеріалів і будіндустрія, енерго- і ресурсозбереження в умовах ринкових відносин" (м. Бєлгород, 1997 р.), "Інженерні проблеми сучасного бетону і залізобетону" (м. Мінськ, 1997 р.), 5-ій Конференції Міжрегіональної асоціації ''Залізобетон''(Москва, 1998 р.), Всесоюзному семінарі Комісії з методів і засобів оцінки стану крупних інженерних споруд АН СРСР, що будуються і експлуатуються (Інгурі ГЕС, 1986 р.), Українських наукових конференціях: "Застосування пластмас у будівництві і міському господарстві" (м.Харків, 1986...1996 р.), " Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону" (м. Київ, 1996 р.), сесії ФІП (м. Тбілісі, 1988 р.); наукових конференціях ХДТУБА (м. Харків, 1985... 1999 р.).
Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у 49 роботах, в тому числі в одній монографії.
Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 10 розділів, висновків, списка літератури із 237 найменувань, додатка. Вона включає 265 сторінок основного машинописного тексту, 159 рисунків, 21 таблицю.
Автор щиро вдячний своїм науковим консультантам - докторам технічних наук, професорам Медзмаріашвілі Е.В. та Шагіну О.Л.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У розділі 1, присвяченому аналізу стана проблеми, відзначається, що попереднє напруження знайшло широке застосування у вітчизняному і закордонному будівництві, створена широка мережа підприємств будіндустрії, що випускає різноманітні типи збірних попередньо напружених конструкцій.
У розробку способів попереднього напруження і методів розрахунку, у дослідження даного типу конструкцій при різноманітних режимах впливів, оцінку втрат напружень внаслідок повзучості, усадки бетону, релаксації арматури та інших факторів внесли значний внесок Александровський С.В., Барашиков А.Я., Бердичевський Г.І., Гвоздєв А.А., Голишев О.Б., Дмитрієв С.А., Заврієв К.С., Кізірія Г.В., Мадатян С .А., Маркаров М.О., Махвіладзе Л.С., Міхайлов В.В., Міхайлов К.В., Пірадов О.Б., Щербаков Е.Н., Леонгардт Ф., Маньель Г., Фрейсине Е. та ін.
Домінуючим на підприємствах будіндустрії СНД є електротермічний спосіб натягування на упори. Проте в існуючій економічній та енергетичній ситуації даний спосіб, що відрізняється великими витратами електроенергії на натягування арматури, висадку анкерних голівок, підвищеною витратою металу на виготовлення силових форм, недостатньою технологічною гнучкістю, стає неконкурентоспроможним. В умовах ринку необхідний пошук шляхів зниження енерговитратності попередньо напружених залізобетонних конструкцій.
За останні роки намітилася тенденція розширення обсягів і областей застосування стрижневої неметалевої, зокрема, склопластикової арматури. В основному використовується внутрішнє стрижневе і фіброве неметалеве армування. При високих міцнісних показниках і низькому модулі деформацій застосування стрижневої неметалевої арматури в бетонних конструкціях без попереднього напруження практично неможливе. Найбільш серйозними проблемами при використанні напружуваної неметалевої арматури є анкерні і захватні обладнання, захист її від впливів середовища бетону, забезпечення міцності елементів за похилими перерізами. Виробництво неметалевої, наприклад, склопластикової арматури потребує дуже високих енерговитрат і складного технологічного устаткування. Все це обумовлює необхідність проведення досліджень з метою розробки таких енергозберігаючих вирішень, які б дозволили у існуючих економічних умовах забезпечити випуск склопластикової арматури і ефективних попередньо напружених конструкцій з її застосуванням.
Конструкції із зовнішнім склопластиковим армуванням, що виконує одночасно силові і захисні від впливу середовища функції, виготовлялися дотепер без спеціального попереднього напруження.
Дослідженню конструкцій із внутрішнім і зовнішнім неметалевим армуванням, розробці методів розрахунку, технологій виготовлення присвячені роботи Асланової Л.Г., Ахвердова І.Н., Барашикова А.Я., Вільдавського Ю.,М., Давидова С.С., Колякова М.І., Красовської Т.О., Міхайлова К.В., Олексієнко Л.Г., Пецольда Т.М., Пустовойтова В.П., Потапова Ю .Б., Селяєва В.П., Соколова М.І., Соломатова В.І., Фролова Н.П., Шагіна О.Л., Швидко Я.І. та ін.
Найбільш перспективним є неенергоємне механічне попереднє обтиснення з трансформацією конструкцій у відповідних випадках у комбіновані системи шпренгельного типу. Дослідженню різноманітних комбінованих конструкцій присвячені роботи Бондаренко В.М., Клімова Н.І., Крамаря В.Г., Медзмаріашвілі Е.В., Шагіна О.Л., Дишингера Ф, Леонгардта Ф. та ін.
Проведений аналіз показав, що проблема створення попередньо напружених конструкцій зниженої енерговитратності зі склопластиковою і стальною арматурою, методів їх розрахунку до теперішнього часу не знайшла свого ефективного вирішення.
На основі проведеного аналізу в розділі 1 сформульовані основні задачі цієї роботи.
Розділ 2 присвячений створенню нових видів склопластикової арматури (СПА). Головна особливість їх полягає в тому, що анкерні кінцеві ділянки створюються у процесі виготовлення арматурного елемента заданої довжини, що відповідає конкретному склопластбетонному виробові. В основу запропонованого вирішення покладено принцип анкерування за рахунок зачеплення арматури за бетон, а не зчеплення . Це обумовлене тим, що зчеплення між склопластиком, що заздалегідь отвердів, і бетоном практично відсутнє.
Розроблено 3 типи самозаанкереної у бетоні СПА, які представлені на рис.1. Більш високі деформативно-міцнісні показники має двохгілкова СПА (рис.1,а), яка одержана способом намотки склоровінгів або скловолокон, просочених полімерним зв'язуючим, на обертову багатострумкову оправку (рис.2). При довжині СПА 5... 6 м доцільна організація обертання оправки в горизонтальній площині за аналогією з методом безупинного армування Міхайлова В.В. У випадку великої довжини СПА намотка провадиться на нерухому оправку з використанням спеціального механізму укладки просочених полімерним зв'язуючим склоровінгів у її струмки до остаточного їх заповнення.
Рис.1. Типи СПА, що пропонуються:
а - двохгілкові, б - з петльовими закінченнями, в - з анкерними закінченнями
Рис. 2 . Намотка двохгілкової СПА в універсальній установці
Рис.3. Діаграми деформування двохгілкової СПА різного перерізу:
1- 0,5х1,0 см; 2 - 0,75х1,0 см; 3 - 1,0х1,0 см
Рис.4. Діаграма деформування СПА з петльовими закінченнями
У запропонованій СПА для посилення кінцевих петльових ділянок передбачена додаткова укладка вручну відрізків просоченого склоровінга заданої довжини, що забезпечує відповідне місцеве стовщення СПА (рис.1).. Після завершення процесу формування провадиться полімеризація СПА, а потім розбирання оправки і витягання виготовленого арматурного елемента.
Вибір типу зв'язуючого залежить від функціонального призначення конструкції, експлуатаційного середовища, режиму полімеризації, необхідних деформативно-міцнісних показників, способу виготовлення СПА.
Найбільш високу міцність забезпечує використання епоксидних смол. Дослідження з підбору співвідношення компонентів для двохгілкової СПА показали, що кількість зв'язуючого повинна складати 22...25%, скловолокна відповідно 78...75%. Експериментально були підібрані для обладнання, яке використовували, раціональна швидкість намотки - 18 об/хв, що забезпечує кращі показники СПА, а також величина технологічного натягу скловолокна.
Для встановлення закономірностей деформування двохгілкової СПА при короткочасній і тривалій дії навантаження спільно з Мольським М.М. були проведені випробування на осьове розтягання. На рис.3 наведені діаграми деформування трьох серій зразків СПА різноманітного поперечного перерізу, тимчасовий опір sси = 700...900 МПа, модуль деформацій Ес = 5Ч104 МПа. Встановлено, що масштабний фактор впливає на міцність, але практично не впливає на величину модуля деформацій. При збільшенні площі перерізу в 3 рази величина тимчасового опору зменшувалася в 1,4 рази.
Випробування СПА при тривалій дії навантаження показали, що при рівні напружень 0,4 повне загасання деформацій повзучості відбувалося через 1000 годин; при рівні 0,6 - через 1700... 1900 годин: при рівні 0,8 деформації повзучості, хоча і незначні, мали місце і після 2000 годин. Величина границі тривалої міцності складає 0,7 від короткочасної.
Більш простим, що не потребує складного устаткування, істотної витрати енергії є контактне формування СПА холодного затвердіння із однонаправленим наповненням скловолокон. Воно може виконуватися вручну з нескладною механізацією і застосуванням простих металевих або дерев'яних оправок (по суті опалубочних форм). Запропонована СПА має петльові закінчення збільшеної товщини (рис.1, б). Внутрішні розміри петлі визначаються необхідною за розрахунком площею зрізу бетону, що знаходиться у середині петлі.
Проведені експерименти показали (рис.4), що СПА, яка одержується викладеним способом, однонаправленого наповнення на смолі ЕД-20, має тимчасовий опір =500... 600 МПа, модуль деформацій =(4...4,2)Ч10 МПа.
Розроблена СПА хаотичного наповнення, яка має на кінцях стовщення, що забезпечують її анкерування в бетоні (рис.1,в). Експерименти показали, що при використанні епоксидних зв'язуючих можна одержати СПА хаотичного наповнення з тимчасовим опором =350МПа, модулем деформацій =3,3.104 МПа.
Розділ 3 присвячений створенню попередньо напружених склопластбетонних конструкцій.
Розроблені види арматури і спосіб локального обтиснення дозволили в рамках цієї роботи запропонувати принципово новий підхід до створення попередньо напружених склопластбетонних елементів. Сутність його представлена на рис.5. У процесі бетонування виробу в ньому влаштовується паз, у якому розміщується напружувана СПА. Анкерні ділянки напружуваної СПА розташовуються в суцільних кінцевих зонах виробу. При цьому стовщені анкерні ділянки на невеличку довжину (100... 200 мм) виходять у паз. З метою повного виключення зчеплення напруженої СПА з бетоном кінцевих суцільних зон її анкерні ділянки обмотуються 2 прошарками поліетіленової або іншої антиадгезійної плівки.
Попереднє напруження конструкції створюється після набору бетоном передаточної міцності R , величина якої призначається за аналогією з залізобетонними елементами. Воно здійснюється відтягуванням СПА униз прикладанням до неї зосереджених навантажень . У СПА виникає зусилля натягу , у багато разів переважаюче величину навантажень , що його визивають. Внаслідок анкерування СПА в кінцевих зонах створюється обтиснення бетону зусиллям , приблизно рівним, внаслідок малості кута відтягування, величині зусилля натягу . Через невелику величину навантаження відтягування може проводитись за допомогою ручних гвинтових або малих гідравлічних домкратів. Після створення натягу напружена СПА фіксується у відтягнутому становищі за допомогою упорних вкладок, виконаних із бетону або іншого матеріалу. Наступне зняття відтягуючих навантажень призводить до того, що СПА з такою ж силою і практично за тією ж схемою передає навантаження на балку уверх, вигинаючи її. Таким чином, створюється додаткове обтиснення елемента, тобто попереднє напруження відбувається у 2 стадії. При цьому, як показують проведені експерименти, величина обтиснення бетону на другій стадії складає 30...50% значення обтиснення , яке утворене на першій стадії.
Таким чином, СПА по всій своїй довжині не має контакту з лужним середовищем бетону, що відкриває можливість підбирати полімерне зв'язуюче для СПА, яке відповідає конкретному експлуатаційному середовищу і забезпечує одержання необхідних електрофізичних показників. Зокрема, стає можливим застосування поліефірних смол, що мають істотно меншу, ніж епоксидна, вартість і які дозволяють одержувати СПА достатньо високої міцності. Стає цілком прийнятним використання епоксидної і поліефірної СПА холодного затвердіння, що призводить до мінімуму енергетичні витрати на виготовлення арматури.
Для забезпечення необхідної вогнестійкості паз, у якому розташовується напружена СПА , зачеканюється вогнезахисним матеріалом, який повинний бути достатньо деформативним, щоб не впливати на статичну схему роботи запропонованої конструкції, і не агресивним стосовно СПА.
Через те, що паз достатньо вузький, виникають труднощі розміщення в ньому всього необхідного у відповідності з розрахунком кількості арматури. Тому частину розрахункової СПА представляється доцільним розташовувати в стінках паза без попереднього напруження, тобто переходити на змішане армування. На відміну від аналогічних залізобетонних конструкцій у пазі слід розміщати не загальної кількості робочої арматури, а 80% і більше. Ненапружена СПА повинна бути стійкою в середовищі бетона.
Однією із основних переваг запропонованої конструкції є можливість її монолітного виконання. До теперішнього часу попереднє напруження монолітних склопластбетонних конструкцій взагалі не застосовувалося через відсутність ефективних способів його здійснення.
Представляється можливим попередньо напружувати на опорах і в прольотах статично невизначені нерозрізні балки (рис.6.), рами та ін., що раніше також не вдавалося здійснити при використанні традиційної СПА, яку одержували способом протяжки.
При виготовленні запропонованих конструкцій відпадає необхідність у використанні металомістких опалубочних силових форм, що знижує вартість і істотно прискорює організацію виробництва конструкцій.
У місці виходу напруженої СПА в паз при відтягуванні виникає концентрація напружень, місцевий вигин арматури і зминання бетону. Додаткові до осьового розтягу місцеві вигинаючі зусилля сприймаються завдяки передбаченим при виготовленні СПА кінцевим стовщенням, зменшується зминання бетону.
Міцність запропонованих конструкцій за похилим перерізом забезпечується установленням у стінках паза вертикальних склопластикових сіток або місцевого армування зон дії значних головних розтягуючих напружень склопластиковими фібрами. У роботі наведені різноманітні схеми формування склопластикових сіток і фібр, стійких у середовищі бетону, способами косої перехресної і рядової намотки на різноманітних устаткуваннях.
У стінках паза сітки або фібри сполучаються із двохгілковою лужностійкою СПА, що розташовується у вертикальній площині. Сітки підв'язуються до СПА за допомогою склоровінга, просоченого полімерним зв'язуючим холодного затвердіння.
Розроблено методику розрахунку параметрів натягу, тобто розрахункового визначення величин стрілки відтягування і відтягуючого навантаження , необхідних для створення в напруженій СПА потрібного значення зусилля натягу. Виходячи із розгляду деформованого стану напруженої СПА при відтягуванні, отримані спрощені залежності для визначення вказаних величин і . Наприклад, у випадку відтягування двома силами у чвертях довжини паза
= , (1)
, (2)
де і - модуль деформацій і площа перерізу напруженої СПА , - довжина оголеної ділянки СПА в пазі, - довжина анкерної кінцевої ділянки СПА в приопорній суцільній зоні.
За підрахованою заздалегідь величиною здійснюється контроль зусилля натягу
При відтягуванні СПА і фіксації її становища за допомогою упорних вкладок, крім зусилля обтиснення бетону , створюється вигин.
Чим нижче розташована точка виходу СПА, тим ефективніше обтиснення. У роботі запропоноване використання багатоетапного стягування і розсунення СПА в горизонтальній площині і наступного відтягуванні у вертикальній площині. Зазначене дозволяє при створенні одного і того ж значення зусилля натягу істотно зменшити величину стрілки відтягування у вертикальній площині.
Рис.5. Попередньо напружені згинальні елементи з двохгілковою арматурою: 1 - анкерна ділянка двохгулкової арматури; 2 - оголона ділянка напруженої арматури; 3 - упорна вкладка
Рис.6. Попередньо напружена нерозрізна балка: 1 - прольотна напружена СПА; 2 - упорна вкладка; 3 - опорна напружена СПА
Рис.7. Натягування СПА розсуненням в горизонтальній площині і відтягуванням у вертикальній
У роботі запропонована методика розрахунку багатоетапного натягу СПА і отримані відповідні розрахункові залежності для раціональних схем його здійснення. Наприклад, при створенні натягання за схемою, поданою на рис. 7 , коли розсунення в горизонтальній площині здійснюються в трьох точках, а відтягування униз двома силами, сумарне зусилля натягу може бути визначене за залежністю
= , (3.)
де а - третина довжини паза;
- стрілка відтягування у вертикальній площині.
Вивченню закономірностей деформування і руйнації запропонованого нового типу склопластбетонних конструкцій були присвячені експерименти, у яких варіювалася площа перерізу напруженої СПА. Випробовувались балки довжиною 1200 мм (прольот 1000 мм), переріз 80х140 мм. У нижній зоні влаштовувався паз шириною 30 мм, глибиною 50 мм, у якому знаходилася горизонтально розташована двохгілкова СПА. Довжина суцільних приопорних зон по 300 мм. Бетон =28,9 МПа. Гілки СПА мали перерізи: серія 1- 3х12 мм, серія 2 - 5х12 мм, серія 3 - 6х12 мм, посилення кінцевих ділянок СПА не провадилося. Обтиснення створювалося відтягуванням СПА силою, прикладеною до неї в середині довжини паза . Було зафіксовано, що при відтягуванні, наприклад, у серії 3 деформації розтягання СПА в середній зоні склали = , у місці виходу СПА в паз зафіксований стиск = на одній грані гілки, розтягуючі напруження на протилежній грані склали =407 МПа, тобто мав місце вигин у зоні виходу СПА в паз .
Обтиснення відбувалося при відтягуванні, а потім після зняття навантаження. Величина обтиснення на другій стадії склала 63,5% від аналогічної на першій стадії (рис.8.).
Навантаження тріщиноутворення в порівнянні з балкою без обтиснення зросло для серії 1- у 2,2 рази, серії 2 - у 2,67 рази, серії 3 - у 2,83 рази. Деформування і руйнація відбувалися за аналогією з переармованими залізобетонними згинальними елементами (рис.9). Після зняття навантаження балки поверталися в положення, близьке до початкового. Значення руйнуючих навантажень: серія 1 - 17 кН, серія 2 - 19 кН, серія 3 - 21,5 кН.
Рис.8. Графік зростання деформацій обтиснення бетона майбутньої розтягнутої зони при здійсненні попереднього напруження
Рис.9. Зростання прогинів під навантаженням склопластбетонних балок: 1 - Б1(12х13 мм); 2 - Б2(12х5 мм); 3 - Б3(12х6 мм)
Рис.10. Кінематична схема намотувальної установки: 1 - неткана стрічка; 2 - бетонний елемент; 3 - патрон; 4 - клиноремінна передача; 5 - головний електропривод; 6 - редуктор; 7 - допоміжний електропривод; 8 - черв'ячний редуктор; 9 - муфта перемикання; 10 - гитара шестірен; 11 - ланцюговий контур розкладки; 12 - каретка; 13 - електропривод формуючої голівки; 14 - просочувальна ванна; 15 - шпулярник
Рис. 11. Зіставлення графиків деформування центрально стиснутих комплексних елементів серій 1 - К-1, 2 - К-II, 3 - K-III, 4 - K-IV, 5 - K-V
Зіставлення результатів розрахунку за розробленою методикою з отриманими в експериментах даними показало, що різниця в значеннях, наприклад, напружень у СПА склала при натяганні 4,83%, у величинах стрілки відтягування 5,86%.
У розділі 4 розглянуті попередньо напружені конструкції із зовнішнім і комбінованим склопластиковим армуванням, які розроблені для експлуатації в агресивних стосовно бетону середовищах і для випадків, коли необхідно забезпечити стабільність діелектричних властивостей електроізоляційного бетону. Склопластикові обойми, таким чином, виконують як захисні, так і силові функції. Тому при влаштуванні способом намотки структура (напрямки) армування обойми підбирається в залежності від виду напруженого стану, який у ній буде виникати при експлуатаційних навантаженнях. Відповідно технологічне устаткування повинно мати можливість варіювання структурою армування в достатньо широкому діапазоні. Використані в даних дослідженнях схеми намотувальних установок (рис .10) ХДТУБА і Сухумської лабораторії склопластикових конструкцій ГТУ, дозволяють одержувати рядкове армування у вигляді витків скловолокон, які щільно укладаються у кільцевому (поперечному) напрямку; косе перехресне армування, яке являє собою систему взаємно пересічних скловолокон із щільною укладкою в кожному напрямку, що забезпечує підвищену герметичність; армування нетканою стрічкою у вигляді структури із скловолокон основи, що укладаються спірально і утокових ниток , що їх обплітають; косе перехресне армування нетканою стрічкою, яке сполучає намотку нетканою стрічкою з її циклічним переміщенням уздовж виробу, що обмотується.
Кути намотки можуть змінюватися в діапазоні від 300 до 850. У ще більшому діапазоні може змінюватися співвідношення кількості подовжніх (обмотуючих) і поперечних кромочних ниток. Крім того, на відміну від традиційного способу намотки нетканою стрічкою в даних дослідженнях у структуру армування вводилися додаткові нитки основи. Вони не пропускалися через обертову формуючу голівку , а подавалися безпосередньо на конструкцію.
Одержувана структура відрізняється можливістю управління анізотропією властивостей склопластикової обойми за рахунок зміни кута намотки стрічки до осі виробу, кута обплітання поперечних ниток і їхньої кількості шляхом регулювання швидкості обертання формуючої голівки, зміни ширини стрічки і кількості додаткових поперечних скловолокон, що проходять поза формуючою голівкою. Програмування одержання заданих структур армування обойми виробу конкретних габаритів будується на відповідному сполученні режимів роботи розкладчика, що циклічно переміщається уздовж осі виробу, і закріпленої на ньому обертової формуючої голівки.
Дуже важливо, що представляється можливим здійснювати попереднє напруження не тільки поперечних, але і подовжніх скловолокон.
Попереднє напруження виробів створюється технологічним натягуванням скловолокон і усадкою полімерного зв'язуючого, особливо на поліефірній основі. Проведені експериментальні дослідження дозволили встановити, що раціональним є натягування скловолокон, що складає 0,1 від розривного зусилля. Про ефективність елементів у склопластикових обоймах із технологічним натягуванням свідчать результати проведених експериментальних досліджень, у яких співставлялась робота круглих елементів d = 70 мм, h = 350 в обоймах товщиною d = 2 мм із бетонів різноманітної міцності і трубчастих склопластикових зразків, заповнених бетоном, тобто які не мають технологічного обтиснення (рис.12).
Випробування показали, що склопластикова обойма в значно більшій мірі, ніж стальна, підвищує міцність круглого елемента (рис.11). При цьому з ростом міцності бетону ефект знижується: при =21,4 МПа міцність зросла в 14 разів, при = 43,5 МПа - у 9 разів. Зростання міцності обумовлене трансформацією (завдяки обоймі) одноосьового стиску в нерівномірний трьохосьовий. Не обтиснуті заповнені бетоном трубчасті зразки показали максимальне зростання міцностіі в 4...7 разів, тобто відсутність технологічного обтиснення суттєво знижує ефективність обойми.
Елемент проходить 3 різноманітних якісних стадії: стадія лінійного деформування; нелінійного деформування в результаті утворення мікротріщин; лінійного деформування, що завершується руйнацією (рис. 13), але вже бетону з порушеною суцільністю, який має значно менший модуль деформацій.
На розтягування у машині УВМ-50 випробовувалися бетонні стандартні вісімки в склопластикових обоймах товщиною в серії 1 - = 1мм, серії 2 - = 2мм, серії 3 - =3мм. Максимальне збільшення міцності мало місце при обоймі =3мм і склало 3,7 рази.
З метою підвищення тріщиностійкості розроблені попередньо напружені бетонні елементи в склопластикових обоймах.
Обтиснення проводиться запропонованим Шагіним О.Л. способом, за яким відразу після формування обойми елемент обтискується з торців і знаходиться в цьому положенні до повного затвердіння і набору склопластиком міцності. Після цього обтиснення припиняється, бетонний сердечник прагне повернутися в початкове становище, але склопластик перешкоджає, внаслідок чого бетон частково залишається обтиснутим. Навантаження, що створює попереднє напруження, у торцях може прикладатися по осі або ексцентрично, наприклад, до згинальних елементів.
Запропоновано електроізоляційні попередньо напружені конструкції зниженої енерговитратності. У них використані суперпластифікатори, що дозволяють знижувати кількість води в бетоні і забезпечують у зв'язку із вказаним одержання достатньо високих показників електроізоляції. При склопластикових обоймах гарячого затвердіння передбачається устрій в обтиснутих виробах каналів для виходу через них вологи в процесі багатогодинної полімеризації з одночасним вентилюванням каналів. Після завершення полімеризації канали заповнюються просоченими однонаправленими склоровінгами або хаотично наповненими відрізками скловолокна. Утворюється додаткове внутрішнє армування. Суміщення процесу сушіння бетону і полімеризації обойми дозволяє знизити витрати енергії. Якщо обтиснення виробу зберігати до кінця полімеризації внутрішньої арматури, буде мати місце ще і додаткове попереднє напруження.
З метою кількісної оцінки ефективності викладеного попереднього напруження був проведений комплекс експериментальних досліджень центрально розтягнутих і згинальних елементів. На розтягування випробовувалися бетонні стандартні вісімки перерізом 50х50 мм у склопластикових обоймах, отриманих намоткою нетканої стрічки із співвідношенням кількості обмотуючих і кромочних ниток 3:1, смола ЕД-20, товщина обойми d =1,65 мм. Обтиснення створювалося в металевих рамках до рівня напружень =0,6 . Серія 1 включала попередньо напружені зразки, серія 2 - без попереднього напруження. Тріщиностійкість попередньо напружених зразків виявилася в 1.52 рази вищою. На відміну від залізобетонних конструкцій, попереднє обтиснення підвищило в 1.39 рази міцність конструкції. Показане пов'язано з "допомогою" розтягнутого бетону з тріщинами склопластиковій обоймі, по якій і відбувалася руйнація. Через малість ширини розкриття тріщин склопластик у місці тріщини працює в умовах впливу крайового ефекту, стиснення поперечних деформацій. Попереднє обтиснення сприяє більш пізній появі тріщин і меншій ширині їх розкриття, що відсуває момент розірвання склопластика.
Діаграми деформування нелінійні, що пояснюється не тільки нелінійним характером "допомоги" бетону між тріщинами обоймі, але й суттєвою нелінійністю деформування самого склопластика застосованої структури в подовжньому напрямку (уздовж обмотуючих ниток).
Менший ефект був отриманий у випробуваннях згинальних елементів у склопластикових обоймах, виготовлених способом намотки. Балки перерізом 80х140 мм мали прольот 1000 мм, навантажувались двома силами в третинах прольоту. Навантаження тріщиноутворення в попередньо напружених балках було в 1,34 рази, а несуча спроможність у 1,15 рази вища, ніж у балок в обоймах без попереднього напруження. Таким чином, при згині ефективність попереднього обтиснення в досліджуваному випадку виявилася нижчою, ніж при осьовому розтягуванні.
У розділі 5 наводяться аналогічні результати, що були отримані в експериментальних дослідженнях бетонних елементів в обоймах контактного формувания на смолі ЕД-20 холодного затвердіння. Обойма створювалася формовкою просочених полімерною композицією прошарків склотканини Т-23. Обтиснення здійснювалося також у металевих жорстких рамках, установлених у машині УВМ-50. Фіксація зразків у рамках після обтиснення проводилася за допомогою гайок. Варіювався рівень обтиснення: серія 1 - = 0,8Rв, серія 2 - = 0,6Rв, серія 3 - = 0,4Rв, серія 4 - = 0, тобто без попереднього напруження, а також кількість прошарків склотканини, тобто процент зовнішнього армування.
Виміри показали, що після зняття обтиснення значення напружень склали від 25 до 45% від величини початкового обтиснення.
Установлено, що навантаження тріщиноутворення при 3 прошарках склотканини було в 3,38 рази більшим, ніж при 1 прошарку, несуча спроможність у 3,04 рази.
Рівень попереднього напруження при обоймах контактного формування впливає в меншій мірі, ніж одержаних намоткою, хоча і достатньо відчутно. Так, при одному прошарку обтиснення з рівнем 0,4 призводить до збільшення навантаження тріщиноутворення в 1,13 рази, при / = 0,6 - у 1,4 рази, при / = 0,8 - у 1,28 рази. Слід зазначити, що ефект підвищення тріщиноутворення при / = 0,8 падає в порівнянні з / = 0,6 у 1,09 рази. Несуча спроможність при 1 прошарку для випадку / = 0,4 зросла в 1,15 рази, при / = 0,6 - у 1,32 рази, при / = 0,8 - у 1,26 рази. Аналогічна тенденція мала місце і у випробуваннях конструкцій з двома і трьома прошарками склопластика. Таким чином, рівень обтиснення / = 0,6 є найбільш раціональним. Необхідно підкреслити, що даний рівень практично збігається з рекомендованим CHиП 2.03.01-84* для попереднього напруження залізобетонних конструкцій.
Рис. 12. Склопластикові трубчасті елементи: заповнений бетоном і в початковому стані
Рис. 13. Характер руйнації елементів в склопластикових оболонках при осьовому стиску
Рис. 14. Загальний вигляд випробувань зразків імпульсною напругою при різних рівнях механічного навантаження
Рис. 15. Залежність напружень перекриття від рівня розтягуючого навантаження: 1 - звичайні; 2 - попередньо напружені елементи
Рис. 16. Монолітний бортовий елемент: 1 - напружена СПА; 2 - упорна вкладка ; 3 - нижнє склопластикове армування контактного формування; 4 - ненапружена СПА; 5 - склопластикова панель-оболонка; 6 - верхнє зовнішнє склопластикове армування; 7 - монолітний бетон; 8 - склопластиковий болт
Випробування згинальних елементів в обоймах контактного формування показали, що величина моменту тріщиноутворення в балках без обтиснення склала , руйнуючого моменту для бетонної балки без обойми =74,37 , тобто обойма в 2,48 рази підвищила тріщиностійкість конструкції. У попередньо напружених балках в обоймах момент тріщиноутворення склав тобто вище, ніж у балках в обоймах без обтиснення на 32,1%. Величина руйнуючого згинального моменту у балках без обтиснення - =480,15 у попередньо напружених =577, тобто в 1,2 рази вища. Таким чином, в згинальних елементах ефект від обтиснення менший, ніж при обоймах, одержаних намоткою.
Розроблено спосіб підвищення несучої здатності гнучких позацентрово стиснутих елементів приформовкою зовнішнього склопластбетонного армування в сполученні з механічним обтисненням.
Відповідно до можливого електротехнічного призначення бетонних елементів в обоймах були проведені дослідження їх опору одночасним механічним та електричним впливам. Зокрема, з метою оцінки їх роботи при впливі імпульсних електричних напруг була розроблена спеціальна установка для випробувань на розтягування, що разом із генератором імпульсних напружень ГІН-0,6 Харківського державного політехнічного університету склала єдиний комплекс, який дозволив реалізувати одночасні електричні і механічні впливи. Особливість установки полягала в склопластикових товстостінних ізолюючих стійках силової рами, виготовлених способом намотки. Установка розташовувалася в зоні дії ГІН-0,6 (рис.12.). Електричні напруги створювалися грозовими імпульсами 1,2/50 як для об'єктів із рівнем ізоляції, що відповідає класу електричних напруг 300 кВ. Тривалість фронту імпульсу склала 1,2 мкс, тривалість імпульсу - 50 мкс.
Випробовувались 2 серії зразків-вісімок у склопластикових обоймах: серія 1 із попереднім напруженням, серія 2 - без попереднього напруження. Бетон - висушений =21,0МПа; смола-ЕД-20 холодного затвердіння, два прошарки склотканини -23. Виробуваний зразок закріплювався в захватах установки, після чого ГІН-0,6 підключався до верхньої частини її нерухомої рами, нижня частина установки, відділена склопластиковими стійками, заземлювалася. Гідравлічним домкратом створювався перший рівень механічного навантаження, потім включався ГІН-0,6 і на розтягнутий зразок подавався грозовий імпульс. Якщо подана величина імпульсу не викликала перекриття, подавалася напруга на 10кВ більша і т.д. до встановлення величини імпульсних напруг, що викликають перекриття. Дана величина уточнювалась шляхом поступового зниження значень імпульсів, які подавались. Далі прикладалося наступне навантаження і процедура повторювалася.
У ненавантажених зразках величина напруг перекриття склала 120 кВ, значення питомої напруги перекриття 10 кВ/см. Отримане цілком прийнятне для більшості електроізолюючих несучих конструкцій, що застосовуються.
Дуже важливим було забезпечення неможливості пробою по повітрю між захватами, що мали гострі кромки. З цією метою захвати були захищені алюмінієвими екранами (рис. 14). Тому в проведених випробуваннях перекриття в усіх випадках відбувалося по поверхні досліджуваних зразків, доріжка проходження розряду розташовувалась між алюмінієвими екранами.
Із збільшенням розтягуючого навантаження до появи тріщин значення напруг перекриття в звичайних і попередньо напружених зразках були постійними й однаковими. При наближенні до навантаження тріщиноутворення величина напруг перекриття починала падати. Тому що величина навантаження тріщиноутворення у попередньо обтиснутих зразках була у 1,5...1,65 рази вищою, відповідно було вище і значення навантаження, при якому починалося зменшення величини напруг перекриття (рис.15.). При подальшому рості розтягуючого навантаження , зменшення значення напруг перекриття було лавинним. Аналогічні результати були отримані в експериментальних дослідженнях впливу механічних навантажень на величину питомого об'ємного електричного опору елементів із висушеного бетону в склопластикових оболонках контактного формувания. Випробування на осьове розтягування проводилися в машині УВМ-50. Зразки ізолювалися від захватів і самої машини за допомогою гумових прокладок товщиною 5мм. Після появи тріщин мало місце лавинне падіння значення опору ізоляції, у попередньо напружених зразках воно відбувалося при навантаженнях у 1,53 рази більших, ніж у зразках без попереднього напруження. Величина навантаження, при якій відбувалося лавинне зменшення опору ізоляції, у попередньо напружених балках у склопластикових обоймах контактного формування була у 1,55 рази більшою, ніж у балках без обтиснення.
Таким чином, попереднє напруження істотно
