Исследование характеристик композитной арматуры и область ее применения

Июль, 2015
Автор: Авторский коллектив инженеров ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет и ООО «СК»

Арматура - это совокупность соединенных между собой элементов, которые при совместной работе с бетоном в железобетонных сооружениях воспринимают растягивающие напряжения.

Арматура, применяющаяся в железобетонных конструкциях и сооружениях делится на рабочую, распределительную, хомуты, анкерную и монтажную.

Рабочая арматура воспринимает возникающие в железобетоне растягивающие и скалывающие усилия от внешних нагрузок и собственного веса конструкций.

Распределительная арматура удерживает рабочие стержни арматуры в определенном положении и распределяет нагрузку между ними. В тех случаях, когда рабочие стержни располагаются не только в растянутых, но и в сжатых частях конструкций, например, в балках, ригелях, арматура называется двойной.

Хомуты связывают арматуру в единый каркас и предохраняют бетон от появления косых трещин около опор.

Монтажная арматура никаких усилий не воспринимает, служит для сборки арматурного каркаса и обеспечивает точное положение рабочей арматуры и хомутов при бетонировании.

По профилю арматура делится на круглую, гладкую и арматуру периодического профиля. Арматура периодического профиля представляет собой стержни с равномерным рифлением для улучшения сцепления с бетоном.

Выпускается арматура периодического профиля с двумя продольными ребрами и поперечными выступами, идущими по трехзаходной винтовой линии. Гладкая арматура не имеет рифления.

Арматура бывает поперечной и продольной. Поперечная  это арматура, препятствующая образованию наклонных трещин от возникающих косых скалывающих напряжений вблизи опор, а также арматура, связывающая бетон сжатой зоны с арматурой в растянутой зоне.

Продольная арматура воспринимает растягивающие напряжения и препятствует образованию вертикальных трещин в растянутой зоне железобетонных конструкций. В конструкциях, которые воспринимают сжимающие усилия, продольная арматура берет на себя часть нагрузки, работая совместно с бетоном.

При проектировании и возведении монолитных зданий и сооружений возникает проблема соединения стержней арматуры.

С увеличение числа стержней со случайными свойствами в железобетонных несущих конструкциях, приводит к повышению расчетных сопротивлений арматуры, по сравнению с принятыми в технических условиях и определенных по так называемому правилу трех стандартов.

В результате коллективной работы стержней увеличивается общее усилие в арматуре в предельном состоянии конструкции, повышается их надежность работы под нагрузками и снижается вероятность отказа и обрушения зданий с опасными последствиями.

Основные характеристики и область применения арматуры

Арматура применяется для изготовления всех видов железобетонных конструкций, что необходимо для усиления прочностных характеристик бетона. В основном, используется стальная гибкая арматура  стержни, сварные сетки и каркасы, но иногда необходима и жесткая арматура прокатные двутавры, швеллеры и уголки.

Одним из главных направлений в области капитального строительства, позволяющим снизить материалоемкость конструкций и обеспечить экономию стали, цемента, является применение эффективных материалов, к которым относятся бетоны высокой прочности и высокопрочная (без площадки текучести) арматура.

Применяемая в конструкциях стальная арматура в последние годы находит серьезную конкуренцию со стороны высокопрочной стеклопластиковой арматуры (СПА). Полимерные композиционные материалы (ПКМ), представляющие собой большой класс современных конструкционных материалов, конкурируют с классическими, такими как металлы и сплавы, и их применение с каждым годом расширяется.

Существует ряд проблем, связанных с применением стальной арматуры: она имеет большой удельный вес, высокую теплопроводность и низкую теплостойкость. Так как сталь является проводником электрического тока, в  арматуре могут протекать блуждающие токи, что в свою очередь приводит к электрохимической коррозии. Происходит постоянное перераспределение внутренних усилий при нагружении конструкции.

При низких температурах основные деформационные напряжения в ж/б конструкциях воспринимает арматура. При  повышении температуры свыше 300 градусов Цельсия механические свойства стали резко падают – все нагрузки воспринимаются бетоном, т. е. при воздействии высоких температур происходит  разрушение конструкции. 

Следовательно, расширение применения армированных бетонных конструкций потребовало создание арматуры, способной выдержать воздействие такой среды. Кроме того, необходимо было обеспечить антимагнитные и диэлектрические свойства некоторых изделий и сооружений.  Необходимость облегчения железобетонных конструкций, ограниченные запасы руд, пригодных для получения стали и легирующих присадок, также были причиной, ускорившей применение неметаллической арматуры.

Надежность и экономичность - необходимые качества проектируемых, возводимых и эксплуатируемых конструкций, зданий и сооружений. Обеспечение этих качеств особенно важно при поиске новых конструктивных решений. Знание законов взаимодействия материалов необходимо для развития теории железобетона, создания новых видов арматуры и бетона с учетом их совместного деформирования.

Основным производителем композитной арматуры в России является ООО НПФ «УралСпецАрматура» (официальным дистрибьютер продукции на Северо-западе РФ – ООО «СК»).

Композитная неметаллическая арматура широко применяется во всем мире: в США, Канаде, Колумбии при строительстве мостов, дорог, объектов гражданского строительства; в Японии при сооружении фундаментов зданий, в Европа (жилые дома, Германия) и др.

На сегодняшний день неметаллическая композитная арматура широко применяется в России.

Институт «Ленаэропроект» рекомендует данную композитную неметаллическую арматуру применять при строительстве цементобетонных аэродромных покрытий, объемных зданий и сооружений аэропортов. Ее можно использовать вместо металлической арматуры класса А3.

Вот перечень строящихся и реализованных объектов с использованием композитной неметаллической арматуры:

  • жилые 9-ти этажные дома. Поселок Ленино, Петергофское шоссе д. 84;
  • заводы по производству ЖБИ. Строящийся в настоящий мо-мент завод находится по адресу: Янино-1, территория завода Пигмент;
  • объекты Петербургского Метрополитена;
  • аэропорты (Гражданский аэропорт в Казани);
  • гидротехнические сооружения;
  • коттеджные поселки (Ленинградская обл.);
  • мосты (танковые, Москва).

Преимущества материала перед металлической арматурой проявляются в весе (легче в 10 раз), прочности (выше в 3 раза), долговечности (не ржавеет), нейтральности к кислотно-щелочным средам и солям, хорошей адгезии с бетоном, стоимости (ниже до 30 % при равнопрочной замене с учетом доставки), отсутствии свойств экрани-рования и магнетизма.

Ниже в таблице представлены виды профиля, показаны их характеристики: расчетная площадь сечения, нормативное и расчетное сопротивление при растяжении и модуль упругости:

 

Номер профиля  АСП 4    АСП 6 АСП 8  АСП 10 АСП12
Расчетная площадь сечения, Аs, мм²  7,85    20,41   39,25  64,37 95,77
Нормативное сопротивление при растяжении, Rsn, МПа 1300 1300 1300 1200 1200
Расчетное   сопротивление при растяжении, Rs, МПа     1150    1150  1100  1050   1050 
Модуль упругости, Еs, МПа    75000 75000 75000  60000   60000 

В данной таблице представлены характеристики неметаллической арматуры:                                                       

№ п/п  Характеристика  АСП  АБП
1 Плотность, кг/м³  1950 2050
2 Относительное удлинение при разрыве, %  2,2  2,2
3 Коэффициент температурного расширения 1/градус Цельсия 1х10-5 1х10-5
4

Разрушающее напряжение при статическом изгибе, МПа  

 1200    1400  
5 Удельное электрическое сопротивление, Ом•м 1х1015 1х1015
6 Электрическая прочность,  кВ/мм   14 14
7 Коэффициент теплопроводности,  Вт /м К 0,45 0,45

В соответствие с проведенными исследованиями и испытаниями ввиду широких диапазонов использования в России композитная неметаллическая арматура рекомендована к применению в различных сферах строительства, таких как:

  • промышленное строительство, дорожное строительство (мосты, насыпи дорог на грунтах с пониженной прочностью, укрепление откосов и др.);
  • гидротехническое строительство (берегозащитные подпорно-удерживающие сооружения, габионы, геотубы);
  • железнодорожное строительство (шпалы, объемные армогрунтовые подпорные стенки, защита от обвала в горах вместо дорогих кольчужных нержавеющих сталей);
  • промышленно-гражданское строительство;
  • капитальное строительство и др.

Композитная арматура, также, идеально подходит для армирования бетонных полов и стяжек.

Сегодня в чистом виде бетонное покрытие практически не используется, ибо само по себе оно имеет низкую прочность и пористую структуру. Чтобы бетонные полы выдерживали большие серьезные нагрузки, их армируют сетками, сделанными из композитной неметаллической арматуры.

Таким образом, в конечном итоге получается стойкое к высоким нагрузкам, износу, а также очень долговечное покрытие.

Срок службы железобетонных изделий с использованием композитной арматуры прогнозируется от 80 лет и более, а ввиду того, что неметаллическая арматура значительно дешевле металлической, ее использование позволяет значительно экономить деньги на каждом этапе строительства.

Композитная арматура, также, широко изучается и распространена за рубежом, включая Германию, Нидерланды, Англию, Канаду, а также Японию, где она применяется в строительстве домов, автомобильных и пешеходных мостов, а также для армирования тех бетонных конструкций, к которым предъявляются повышенные требования к сейсмостойкости.

Композиционные материалы обладают возможностью изменения своей внутренней структуры, что открывает широкие возможности по управлению НДС конструкций, тем самым обеспечивая наилучшие условия их работы.

Введение в сжатую зону железобетонных конструкций слоя из  композита повышает их несущую способность.

Расчет и конструирование бетонных конструкций с композитной арматурой производится в соответствие с СТО-02495307-007-2012 (ОАО КТБЖБ), СТО-83269053-001-2010, ТУ-5769-001-83269053-2010, СНиП 52-01-2003, СНиП 2.03.01-84, СП 52-101-2003, Р-16-78, ТР-013-1-04.

Выводы

С каждым годом в строительной отрасли происходит внедрение новых технологий.

Инновации, призваны ускорить процесс строительства и сделать его менее затратным, при этом максимально увеличив показатели долговечности, надежности и комфортности.

Современная технология производства позволила значительно снизить эксплуатационные и трудовые затраты на изготовление данного материала. Для потребителей и строителей это, прежде всего, означает, что на рынке сегодня представлена неметаллическая арматура, цена на которую гораздо ниже представленных ранее аналогов.

Таким образом, использование в различных областях строительства композитной арматуры позволяет на порядок снизить итоговую себестоимость конструкции, здания или сооружения.

Кроме того, за счет использования композитной арматуры увеличивается общий срок службы конструкции, так как материал практически не подвержен коррозии.

Существующие нормы проектирования железобетонных конструкций, в частности монолитных конструкций зданий, не учитывают совокупность всех факторов, влияющих на несущую способность, жесткость и трещиностойкость конструкций, что зачастую приводит к неоправданному завышению размеров сечений и значительному (на 20 - 35 %) перерасходу бетона и арматуры.

Используя неметаллическую арматуру, можно избежать в последующем капитальных дорогостоящих работ по ремонту.



Список литературы:

  1. Романов С.К. Прочность, жесткость и трещиностойкость предвари-тельно напряжённых неразрезных балок, армированных высокопрочной стержневой арматурой.  2002 г.
  2. Салов А.С. Оптимизация конструктивных решений безригельного железобетонного каркаса на основе применения бетонов и арматуры повышенных классов прочности. 2011 г
  3. Байрамуков С.Х. Методы расчета и оценки надежности железобетон-ных конструкций с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой. 2001 г.
  4. Дьячков В.В. Свойства и особенности применения в железобетонных конструкциях резьбовых и опрессованных механических соединений.  2009 г.
  5. Мухин С.В. Сопротивление растяжению арматуры со случайными свойствами при многостержневом армировании железобетонных конструкций. 2009 г.
  6. Галушко С.К. Прямые и обратные задачи механики упругих композитных пластин и оболочек вращения. 2005 г.
  7. Шполтаков В.И. Конструкции из композитных материалов, получаемые с использованием низкотемпературной плазмы, их исследование и расчет. 2001 г.
  8. Веселов А.А. Нелинейная теория сцепления арматуры с бетоном и ее приложения. 2000 г.
  9. Кляйман М.А. Изгиб предварительно напряженных деревянных клееных балок со стеклопластиковой арматурой при длительном действии нагрузок. 1984 г.
  10. Блазнов А.Н. Устройства и методы для изучения механических свойств анизотропных стеклопластиковых стержней. 2009 г.

Фотоматериалы предоставлены компанией ООО «СК»

Отправить комментарий

Защитный код
Обновить