Исследование прочности сталежелезобетонных образцов при центральном сжатии

1.Введение

Сталежелезобетонные конструкции или composite construction, широко применяются в Европе и во всём мире. Сталежелезобетонные конструкции по сравнению со стальными и железобетонными имеют много преимуществ и достаточно хорошо известны в мировой практике проектирования.

 Благодаря силовому  и формообразующему соединению  стальных конструкций и железобетона, возникает принципиально новая  конструкция, которая оптимально  использует преимущества железобетона  в сжатой зоне и стальной  конструкции в растянутой зоне.

Под сталежелезобетонными конструкциями понимается большой класс строительных конструкций, отличающихся как по конструктивному признаку, так и по степени использования фактора совместной работы бетона и стали [6-10].

Эффективность сталежелезобетонных конструкций по сравнению с цельно стальными или железобетонными достигается за счет совместной работы материалов (железобетона и стали), т.е. реализации одного из основополагающих принципов проектирования – принципа совмещения функций различных элементов [5]. Использование стали - внешней арматуры - в качестве опалубки, а также повышение несущей способности за счет эффекта обжатия бетона, создаваемого обоймой - основные преимущества такого типа конструкций над железобетонными.

Сталежелезобетонные конструкции нашли широкое применение в перекрытиях общественных и производственных зданий при больших нагрузках. Применение в перекрытиях общественных зданий монолитного бетона с несъемной опалубкой из стального профилированного настила является наиболее распространенным решением за рубежом.

Свойства сталежелезобетонных конструкций обеспечиваются благодаря совместной работе стальной и железобетонной части [1-4,6]. Исключение сдвига в области контакта составных частей при возникновении нагрузок обеспечивается за счет адгезионных свойств, трения и зацепления соединительных элементов, которые могут быть выполнены в виде жестких и гибких упоров, анкеров. Упоры жесткого типа предназначены для работы на изгиб. При этом в бетоне образуются равномерно распределяющиеся деформации сжатия, в отличие от гибких упоров, работающих в основном на изгиб. Анкера предназначаются для перенесения возникающей в конструкции нагрузки на растяжение [10-13]. Есть еще один тип соединений, примером которого может служить стальной профлист с выштамповками. Такой соединяющий элемент обеспечивает передачу сил сдвига посредством зацепления стального элемента и бетона, и за счет трения.

2. Преимущества и уязвимые места

Основные преимущества сталежелезобетонных конструкций: повышенная жесткость и  снижение расхода стали и соответственно себестоимости по сравнению со стальными конструкциями; меньший вес и большая жесткость по сравнению с железобетонными конструкциями. Также, данный тип конструкций соответствует современным технологиям изготовления и монтажа за счет сравнительной простоты узловых сопряжений.

Кроме того, их пожароустойчивость гораздо выше, поскольку бетон имеет высокий показатель удельной теплоемкости. Соответственно стальной элемент защищен от перегрева и не происходит снижение его несущей способности. А благодаря тому, что конструкции изготавливаются на заводе, существенно сокращается время монтажа и снижается зависимость сборки от погодных условий, что заметно экономит рабочее время. Еще одно достоинство – высокая несущая способность [20]. Ее можно рассмотреть на примере железобетонной и сталежелезобетонной колонны диаметром 60 см. Несущая способность четырехметровой колонны из железобетона составляет приблизительно 6000 кН, тогда как сталежелезобетонная колонна обладает несущей способностью до 32 000 кН, то есть в 5,33 раза больше. Если же взять, к примеру, для сравнения стальной и сталежелезобетонный настил, то экономия стали при одинаковом восприятии нагрузок в случае с сталежелезобетонной конструкцией будет составлять порядка 15%.

К недостаткам конструкций из стали и железобетона является тот факт, что поскольку сталь и бетон разные по своим физико-химическим показателям вещества, необходимо устраивать объединительные элементы между ними [19,21]. Также могут проявляться специфические воздействия, которые вызываются перепадами температуры, ползучестью и усадкой бетона. Ну и безусловно, расчет подобных конструкций более сложный [14-18]. В процессе расчета следует учитывать стадийность работы, сдвиг разнородных материалов в области соприкосновения и другие специфические факторы.

Однако, несмотря на все вышеперечисленные недостатки, прочность и надежность сталежелезобетонных конструкций, а также экономическая выгодность их, которая проявляется еще на этапе монтажа, а впоследствии – и в процессе безремонтной эксплуатации, несомненно, заставляют сделать выбор именно в их пользу.

 

 

3. Цели и задачи

Были проведены испытания сталежелезобетонных образцов одинакового сечения для определения механических свойств исследуемого материала. Для этого в лаборатории были изготовлены обрызцы с различным армированием, которые испытывались на прессе на центральное сжатие. Был построен график зависимости между предельными усилиями в сталежелезобетонном элементе по условиям текучести и разрушению и процентами армирования стержневой и канатной арматуры. Исходя из которого можно понять, как армирование влияет на несущую способность сталежелезобетонных образцов. В результате были сделаны выводы о достижении предела текучести, о характере деформирования армированных образцов, о влиянии армирования на продольную жесткость и об эффективности продольного армирования бетонного ядра высокопрочными канатами при использовании высокопрочных труб с достаточной толщиной стенки.

4. Исследование особенностей армирования сталежелезобетонных элементов

При исследовании интересующих нас свойств сталежелезобетонных конструкций было сделано тридцать образцов круглого сечения: две серии по пятнадцать образцов с арматурой разного типа. Серии различались характером армирования бетонного ядра. Первая серия опытных образцов армировалась стержневой арматурой класса А-III диаметром 20 мм. Вторая серия армировалась канатной высокопрочной арматурой К-7 диаметром 15 мм. В каждой серии было по пять типов образцов (по три образца в каждом): первый тип – неармированные образцы, со второго по пятый тип - образцы, армированные четырьмя, шестью, восемью и десятью стержнями соответственно.

Образцы испытывались на прессе П-500 осевой статической нагрузкой. Опорные устройства обеспечивали шарнирную схему закрепления образца. В процессе испытания измерялись продольные и поперечные деформации. Внешний вид, геометрические размеры образцов и вид экспериментальной установки приведены на (рис.1, 2).

 

Риcунок 1. Внешний вид и геометические размеры экспериментальных образцов.

 

 

Риcунок 2. Вид экспериментальной установки. Гидравлический пресс П-500.

 

Физические характеристики используемых материалов в исследовании приведены в Таблице 2,3,4,5.

 

Таблица 2. Характеристики стали

Марка стали	Толщина листа,	Предел текучести,	Модуль упругости,
Ст-3	3,23	247,4

 

Таблица 3. Характеристики стержневой арматуры

Класс арматуры	Диаметр,	Плотность,	Площадь сечения,	Предел текучести,	Модуль упругости,
AIII	20	7850	314,15	395,1

 

Таблица 4. Характеристики канатной арматуры

Класс арматуры	Диаметр,	Площадь сечения,	Условный предел текучести,	Модуль упругости,
К7	15	141,6	1308

 

Таблица 5. Составляющие бетонной смеси

Класс бетона	Песок,	Щебень,	Цемент,	В/Ц
В40	708	1190	406	0,42

 

По показаниям пресса фиксировались предельные усилия в образце. За предельное усилие по разрушению принималась максимальная нагрузка на образец. Предельное усилие по текучести металла трубы определялось по остаточной деформации, которая равна 0,2 %, как это делается при определении условного предела текучести металлов, не обладающих выраженной площадкой текучести [7-11].

 

Результаты испытания прочности сталежелезобетонных образцов приведены в Таблице 6.

 

Таблица 6. Результаты испытания прочности сталежелезобетонных образцов

№ серии	Наим.	Вид армату-ры	Кол-во стержней, .	Диаметр арматуры,	Пред. усилие по текучести,	Среднее пред. усилие по текучести,	Максимальное усилие,	Среднее максимальное усилие,
I	I-0	-	-	-	2475	2530	2800	2850
	I-0	-	-		2550		2990
	I-0	-	-		2565		2760
	I-4	AIII	4	20	2828	2830	3360	3375
	I-4	AIII	4		2813		3355
	I-4	AIII	4		2850		3410
	I-6	AIII	6		2980	2977	3500	3516
	I-6	AIII	6		2965		3603
	I-6	AIII	6		2985		3444
	I-8	AIII	8		3250	3258	3730	3703
	I-8	AIII	8		3260		3680
	I-8	AIII	8		3265		3700
	I-10	AIII	10		3455	3458	4066	4065
	I-10	AIII	10		3460		4050
	I-10	AIII	10		3460		4080
II	II-0	-	-	-	2587	2554	2995	2988
	II-0	-	-		2510		2960
	II-0	-	-		2565		3010
	II-4	K7	4	15	2600	2605	3290	3280
	II-4	K7	4		2585		3300
	II-4	K7	4		2630		3250
	II-6	K7	6		2730	2732	3505	3534
	II-6	K7	6		2710		3540
	II-6	K7	6		2755		3557
	II-8	K7	8		2960	2962	3850	3832
	II-8	K7	8		2965		3815
	II-8	K7	8		2960		3833
	II-10	K7	10		3122	3147	4358	4365
	II-10	K7	10		3200		4397
	II-10	K7	10		3120		4340

 

 

Проводя однофакторный эксперимент, можно получить количественную оценку эффекта только одного фактора. Из нормального закона распределения ошибок явствует, что наиболее вероятным значением измеряемой величины будет среднее арифметическое из полученных результатов. Такой метод применим для эксперимента с небольшим числом измерений, так называемой малой выборкой [23].

Соответственно, были построены графики зависимостей между несущей способностью сталежелезобетонных образцов и процентом армирования стержневой или канатной арматурой. Аппроксимируя полученные графики, можно сделать вывод о том, что зависимости образцов со стержневой арматурой близки к линейным, а с канатной – к квадратичной. Графики изображены на рис. 3.

 

 

 

 

 

 

Риcунок 3. Зависимость между процентами армирования стержневой, канатной арматурой и предельными усилиями в сталежелезобетонном элементе по условиям текучести (сплошная линия) и по разрушению (штриховая линия)

Исходя из графиков можно сделать вывод, что армирование сталежелезобетонных элементов, независимо от вида арматуры, существенно повышает их несущую способность.

5. Выводы

В ходе исследования было установлено, что стержневая продольная арматура сталежелезобетонного элемента достигает предела текучести. Канатная  арматура предела текучести не достигает при текучести стальной тонкостенной трубы. Следовательно, гипотетические возможности стержневой арматуры используются полностью, в отличие от канатной [22].

Проанализировав результаты эксперимента можно сделать вывод, что на первых этапах нагружения, до 50 % усилия от разрушающего, деформирование армированных образцов происходит почти линейно. А при нагрузках равных 70-80 % от разрушающих наблюдается существенная нелинейность деформирования.

Установлено, что продольное армирование оказывает влияние на продольную жесткость сталежелезобетонного элемента, причем стержневая арматура повышает жесткость, а канатная арматура, наоборот, снижает жесткость сталежелезобетонного элемента вследствие "эффекта раскручивания" арматуры при её осевом нагружении сжимающей силой.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что продольное армирование бетонного ядра высокопрочными канатами К7 может быть эффективным при использовании высокопрочных труб с достаточной толщиной стенки, которая была бы способна противостоять эффекту «развивки» канатов при их продольном сжатии.

Полученные результаты могут представлять интерес для производственных организаций, занимающихся строительством больших мостов и возведением современных высотных зданий и зданий повышенной этажности.