from 01.01.2019 to 01.01.2023
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.11 Строительные конструкции
OKSO 08.04.01 Строительство
BBK 38 Строительство
TBK 5414 Строительные конструкции
BISAC ARC024000 Buildings / General
Aerated concrete is actively used in energy efficient construction, mainly as a masonry material for vertical load-bearing structures. At the same time, the creation of a closed thermal contour of the building, which is the basis of modern energy saving requirements, is rational by the use of aerated concrete in load-bearing horizontal structures that require reinforcement. Traditionally bar reinforcement is ineffective in aerated concrete due to low specific adhesion at the contact of the reinforcement with concrete and significantly less than that of heavy concrete, the distribution capacity of concrete around a rod, which evenly transforms concrete stress to bar extension, the consequence of which is the significant bar understress while pulling it in concrete. The authors’ research in the field of rationalization of reinforcing elements that are effective in cellular concrete, aimed at increasing the contact surface of the reinforcing element with concrete while maintaining the original steel consumption, makes it possible to recommend tape reinforcement for use in reinforced aerated concrete structures. Punched steel tapes equal to the bar reinforcement of the cross-sectional area, but having developed lateral surface, provide an increase in the adhesion strength of the reinforcement and preventing its pulling. The article presents the results of a numerical study of stress-strain state in reinforced aerated concrete beam with rectangular section, reinforced with the proposed tape reinforcement in comparison with traditional bar reinforcement
reinforced aerated concrete, aerated bent reinforced structures, aerated concrete beam, aerated concrete slab, tape reinforcement, punched steel tapes
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. Kladieva P.V. Directions for improving methodological approaches to the choice of a rational theory of strength in the design of bent reinforced cellular concrete structures [Napravleniya sovershenstvovaniya metodicheskih podhodov k vyboru racional'noj teorii prochnosti pri proektirovanii izgibaemyh armirovannyh yacheistobetonnyh konstrukcij]. Post-graduate student. 2020. No. 5 (56). PP. 157-160. (rus)
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. Naumov A.E., Shevchenko A.V., Dolzhenko A.V., Bodyakov S. N., Gvasalia Kh. D. Investigation of the contact strength of plastic pipe and concrete in the calculation of plastic-tube concrete structures [Issledovanie prochnosti kontakta plastikovoj truby i betona pri raschete plastikotrubobetonnyh konstrukcij]. Bulletin of the BSTU named after V. G. Shukhov . 2019. No. 9. Pp. 38-45. (rus)
4. Makarichev V.V., Mileikovskaya K.M. Research of reinforced structures made of cellular concrete. [Issledovanie armirovannyh konstrukcij iz yacheistyh betonov]. M.: Gostroizdat, 1963. 99 p. (rus)
5. Rudkova A.S., Vesova L.M. The use of dispersed reinforcement in low-rise construction of cellular concrete [Ispol'zovanie dispersnogo armirovaniya v maloetazhnom stroitel'stve iz yacheistogo betona]. Engineering Bulletin of the Don. 2019. No. 2 (53). P. 43. (rus)
6. Sotnikova E.Yu., Abakumov R.G., Naumov A. E. Construction materials and technologies used in residential housing in the development of suburban territories of Belgorod [Stroitel'nye materialy i tekhnologii, ispol'zuemye v izhs pri zastrojke prigorodnyh territorij g. Belgorod]. In the collection: Actual problems of the development of socio-economic systems: theory and practice. collection of scientific articles of the 9th International Scientific and Practical Conference. Southwestern State University. 2019. Pp. 170-180. (rus)
7. Kladieva P.V. Aerated concrete as a promising building material [Gazobeton kak perspektivnyj stroitel'nyj material] Collection of scientific articles of the 4th International Scientific Conference of promising developments of young scientists "Science of the young - the future of Russia" [December 10-11, 2019]. Kursk: South-Western State University, 2019, Pp. 209-212. (rus)
8. Kladieva P.V. Directions for improving the technology of reinforcement of aerated concrete load-bearing structures [Napravleniya sovershenstvovaniya tekhnologii armirovaniya gazobetonnyh nesushchih konstrukcij]. Collection of scientific papers of the 4th International Scientific and Practical Conference of Young Scientists, Postgraduates, Undergraduates and Bachelors [March 13, 2020]. Kursk: South-Western State University, 2020. Pp. 143-146. (rus)
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. Al-hasnavi Ya.S.G. Investigation of the work of beams made of cellular concrete reinforced with light-steel thin-walled structures [Issledovanie raboty balok iz yacheistogo betona, armirovannyh legkimistal'nymi tonkostennymi konstrukciyami]. In the collection: Innovative methods of designing building structures of buildings and structures. collection of scientific papers of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Southwestern State University. 2019. P. 11 (rus)
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. Martynov E.I. Optimization of the construction of a two-bladed stirrer to increase the energy efficiency of the apparatus. In the collection: The World of Science without Borders. Materials of the 7th International Scientific and Practical Conference of Young Scientists. Electronic resource. 2020. Pp. 105-109.
13. Glagolev E.S., Ermolaeva A.E., Elistratkin M. Yu. The use of cellular concrete in the 3d additive industry [Ispol'zovanie yacheistyh betonov v 3d additivnoj industrii] In the collection: Theoretical foundations of creating effective composites. Collection of materials of the Russian online Conference dedicated to the Day of Science. 2018. Pp. 75-82 (rus)
14. Vesova L. M. Influence of reinforcing fibers on the structure of cellular concrete [Vliyanie armiruyushchih volokon na strukturu yacheistogo betona] Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Construction and Architecture. 2020. No. 2 (79). Pp. 107-112. (rus)
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
