РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПРОЧНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И СТАЛЕФИБРОБЕТОННЫХ ПЕРЕМЫЧЕК

​RESULTS OF TESTING THE STRENGTH OF REINFORCED CONCRETE AND STEEL FIBER CONCRETE JUMPERS

Irina Polyanskaya

master's student, department of technology of building materials and metrology, St. Petersburg state university of architecture and civil engineering,

Russia, St. Petersburg

Nikolay Sevostyanov

master's student, department of technology of building materials and metrology, St. Petersburg state university of architecture and civil engineering,

Russia, St. Petersburg

Mikhail Zhavoronkov

scientific supervisor, candidate of Engineering Sciences, associate professor, St. Petersburg state university of architecture and civil engineering,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье описывается и применяется метод испытаний прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонный перемычек предназначенных для перекрытия проемов в кирпичных стенах зданий различного назначения и восприятия нагрузок от действия вышерасположенных конструкций. Перемычки изготавливаются в соответствии с положениями ГОСТ 948-2016 «Перемычки железобетонные для зданий с кирпичными стенами. Технические условия». В настоящей статье описывается и применяется методика проектирования сталефибробетонной перемычки и проводятся испытания. Для дисперсного армирования применяется 2 вида стальной фибры: стальная проволочная фибра круглого сечения и волнового профиля диаметром 0,3 мм, длиной 22 мм по ТУ 14-1-5564-2008 и стальная анкерная Dramix 3D 45/50BL диаметром 1,06 мм, длиной 50 мм.

ABSTRACT

The article describes and applies a method for testing the strength, rigidity and crack resistance of reinforced concrete lintels designed to cover openings in brick walls of buildings for various purposes and to absorb loads from the action of overlying structures. Lintels are manufactured in accordance with the provisions of GOST 948-2016 «Reinforced concrete lintels for buildings with brick walls. Technical conditions». This paper describes and applies the steel fiber reinforced concrete lintel design methodology and tests. For dispersed reinforcement, 2 types of steel fiber are used: steel wire fiber of round section and wave profile with a diameter of 0,3 mm, length 22 mm according to TU 14-1-5564-2008 and steel anchor Dramix 3D 45/50BL with a diameter of 1,06 mm, length 50 mm.

Ключевые слова: фибробетон, железобетон, перемычка, прочность, жесткость, трещиностойксть.

Keywords: fiber-reinforced concrete, reinforced concrete, lintel, strength, rigidity, crack resistance.

В настоящее время, на кафедре технологии строительных материалов и метрологии продолжаются исследования, направленные на изучение поведения фибробетона под нагрузкой. Проводятся исследования фибробетонов изготовленных на основе различных матриц и армированных различными видами фибры. Большая часть проведенных исследований посвящена анализу результатов испытаний силовых и энергетических характеристик трещиностойкости фибробетона, проводимых по методике, регламентируемой положениями ГОСТ 29167-2021 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» [1 - 5]. В ходе анализа имеющихся результатов и исследований других авторов можно сделать вывод о высокой эффективности дисперсного армирования для повышения прочности бетона.

Для оценки возможности замены стрежневой арматуры на фибровую были произведены испытания прочности жесткости и трещиностойкости железобетонных перемычек и были запроектированы, изготовлены и так же испытаны сталефибробетонные перемычки.

Вообще, железобетонные перемычки используются для перекрытия дверных и оконных проемов в кирпичных зданиях, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. Железобетонная перемычка в верху оконного проема

Железобетонные перемычки производятся в соответствии с положениями ГОСТ 948-2016 «Перемычки железобетонные для зданий с кирпичными стенами. Технические условия». В соответствии с указанным ГОСТ, перемычки бывают брусковые, плитные, балочные и фасадные. Указанные типы перемычек отличаются конструкцией и геометрическими размерами.

Для проведения испытаний и проектирования была выбрана железобетонная перемычка 3ПБ13-37, производимая в соответствии с требованиями указанного выше ГОСТ и по рабочим чертежам «Серия 1.038.1-1, выпуск 1. «Перемычки брусковые для жилых и общественных зданий. Рабочие чертежи». Перемычка 3ПБ13-37 - брусковая, длиной 1290мм, имеет прямоугольное поперечное сечение, шириной 120 мм и высотой 220 мм. Перемычка изготавливается из тяжелого бетона В15 и армируется стрежневой арматурой А400 по ГОСТ 5781 диаметром 12мм, и арматурной проволокой Вр500 ГОСТ 6727 диаметром 5мм. Для монтажа перемычки в ее конструкции предусмотрены монтажные петли.

В соответствии с положениями ГОСТ 948-2016 и рабочими чертежами, следует производить испытания прочности, жесткости и трещиностойкости перемычек по схемам, приведенным в указанных документах и в соответствии с положениями ГОСТ 8829-2018 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости».

Схема проведения испытаний приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема нагружения перемычки при проведении испытаний прочности жесткости и трещиностойкости

При проведении испытаний перемычек производится их ступенчатое нагружение с выдержкой на каждой ступени, каждая из которых не должна превышать 10% контрольной нагрузки по прочности и по образованию и ширине раскрытия трещин и 20 % контрольной нагрузки по жесткости. После приложения каждой доли нагрузки испытываемое изделие следует выдерживать под нагрузкой не менее 10 мин. После приложения контрольной нагрузки при контроле жесткости следует выдерживать изделие под этой нагрузкой не менее 30мин. Прочность испытываемого изделия оценивают по значениям максимальной (разрушающей) нагрузки, зарегистрированной к моменту проявления признаков, свидетельствующих об исчерпании несущей способности. Жесткость следует оценивать, сравнивая фактический прогиб изделия под контрольной нагрузкой с контрольным значением прогиба. Трещиностойкость испытываемых изделий следует оценивать, по нагрузке, при которой образуются первые трещины в бетоне, и по ширине раскрытия трещин.

Контрольная нагрузка при испытании прочности перемычки 3ПБ13-37 - 28,9 кН, при испытании жесткости - 14,9 кН, перемычка признается годной, в случае если контрольный прогиб составил ≤ 1,3мм, при испытании трещиностойкости - 18кН, контрольная ширина раскрытия трещины - 0,25мм.

Испытания перемычек производились в лабораторных условиях при помощи гидравлического пресса, как показано на рис. 3.

Рисунок 3. Процесс проведения испытаний железобетонной перемычки

В ходе проведения исследования были испытаны 3 железобетонные перемычки, соответственно, на прочность, жесткость и трещиностойкость.

При проверке прочности перемычка выдержала контрольную нагрузку. При проверке трещиностойкости перемычка выдержала контрольную нагрузку, при этом раскрытие трещин составило 0,2мм. При проверке жесткости перемычка выдержала контрольную нагрузку, при этом в момент действия контрольной нагрузки прогиб перемычки составил 0,78мм.

В рабочих чертежах (Серия 1.038.1-1, выпуск 1), по которым производятся описанные перемычки, приведены данные для проектирования: расчетная схема и расчетная нагрузка - 0,98 кН/м (рис. 4).

Рисунок 4. Расчетная схема перемычки

По данной схеме был произведен расчет по прочности нормальных сечений по предельным усилиям, в соответствии с положениями СП 52-104-2006 «Свод правил по проектированию и строительству. Сталефибробетонные конструкции».

Расчет сталефибробетонной конструкции по прочности нормальных сечений по предельным усилиям проводится из условия (формула (1)):

M - изгибающий момент от действия постоянных и временных нагрузок;

M_ult - предельный изгибающий момент, который может быть воспринят сечением элемента.

Для дисперсного армирования было принято решение использовать стальную проволочную фибру круглого сечения и волнового профиля диаметром 0,3 мм, длиной 22 мм по ТУ 14-1-5564-2008 (рис. 5) и стальную анкерную Dramix 3D 45/50BL диаметром 1,06 мм, длиной 50 мм (рис. 6). В качестве матрицы был использован тяжелый бетон B15, как и в испытанной железобетонной конструкции.

Рисунок 5. Стальная проволочная фибра по ТУ 14-1-5564-2008

Рисунок 6. Стальная анкерная фибра Dramix 3D 45/50BL

При проектировании сталефибробетонной конструкции, получилось, что Mult -предельный изгибающий момент, который может быть воспринят сечением элемента:

- При армировании стальной проволочной фиброй 1% об. - 2748Нм;

- При армировании стальной проволочной фиброй 1,8% об. - 3392Нм;

- При армировании фиброй Dramix 3D 45/50BL 1% об. - 2643Нм;

- При армировании фиброй Dramix 3D 45/50BL 1,8% об. - 3121Нм.

Изгибающий момент от действия постоянных и временных нагрузок составляет 5848 Н/м. То есть, расчет показал, что во всех случаях условие (формула (1)) не выполняется, и требуется применять комбинированное армирование.

Для приготовления бетонной смеси использовался портландцемент ЦЕМ I 42,5Н по ГОСТ 31108-2020, кварцевый песок по ГОСТ 8736-2014 с модулем крупности - 2,2, гранитный щебень по ГОСТ 8267-93, максимальной крупностью 20мм. В результате расчета состава смеси, расход щебня получился 1210 кг/м³, песка - 616 кг/м³, цемента - 265 кг/м³ и воды - 215 л/м³. В начале готовилась бетонная смесь, после чего в нее, постепенно, при непрерывном перемешивании, вводилась фибра.

Было изготовлено 8 сталефибробетонных перемычек- по 4 на каждый вид фибры и по 2 на каждое объемное содержание фибры. Перемычки испытывались только на прочность и трещиностойкость.

В ходе проведения проверки сталефибробетонных перемычек, армированных стальной проволочной фиброй, по прочности (контрольная нагрузка 28,9 кН) получилось:

- при содержании фибры 1% об., перемычка проверку не прошла, разрушение произошло при 18,34 кН

- при содержании фибры 1,8% об., перемычка проверку не прошла, разрушение произошло при 18,6 кН.

При проверке трещиностойкости (контрольная нагрузка 18 кН, допустимое раскрытие трещины 0,25 мм):

- при содержании фибры 1% об., перемычка проверку не прошла, разрушение произошло при 15,23 кН, последнее проконтролированное раскрытие трещины 0,097 мм;

- при содержании фибры 1,8% об., перемычка проверку не прошла, разрушение произошло при 19,04 кН, ширина раскрытия трещины последнее проконтролированное раскрытие трещины 0,512 мм.

В ходе проведения проверки сталефибробетонных перемычек, армированных фиброй Dramix 3D 45/50BL, по прочности (контрольная нагрузка 28,9 кН) получилось:

- при содержании фибры 1% об., перемычка проверку не прошла, разрушение произошло при 24,45 кН

- при содержании фибры 1,8% об., перемычка проверку прошла, разрушение произошло при 30,57 кН.

При проверке трещиностойкости (контрольная нагрузка 18 кН, допустимое раскрытие трещины 0,25 мм):

- при содержании фибры 1% об., перемычка проверку прошла, разрушение произошло при 22,85 кН, последнее проконтролированное раскрытие трещины 0,24 мм;

 -при содержании фибры 1,8% об., перемычка проверку прошла, разрушение произошло при 30,46 кН, ширина раскрытия трещины последнее проконтролированное раскрытие трещины 0,18мм.

Целью данного исследования являлась проверка сходимости расчетных и экспериментальных данных.

Если преобразовать найденные экспериментальным путем разрушающие нагрузки в моменты, то получится:

- При армировании стальной проволочной фиброй 1% об. - 2449Нм;

- При армировании стальной проволочной фиброй 1,8% об. - 2627Нм;

- При армировании фиброй Dramix 3D 45/50BL 1% об. - 3384Нм;

- При армировании фиброй Dramix 3D 45/50BL 1,8% об. - 4319Нм.

Расхождение расчетных и экспериментальных данных очевидно.

Список литературы:

1. Влияние крупного заполнителя на энергетические и силовые характеристики сталефибробетона / Ю. В. Пухаренко, Д. А. Пантелеев, В. И. Морозов, М. И. Жаворонков // Строительство и реконструкция. – 2022. – № 3(101). – С. 110-118.
2. Пухаренко, Ю. В. Оценка эффективности дисперсного армирования бетонов по показателям прочности и трещиностойкости / Ю. В. Пухаренко, Д. А. Пантелеев, М. И. Жаворонков // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. – 2022. – Т. 19, № 5(87). – С. 752-761.
3. Пухаренко, Ю. В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов / Ю. В. Пухаренко // Строительные материалы. – 2004. – № 10. – С. 47-50.
4. Кострикин, М. П. Характер и степень взаимодействия синтетической макрофибры с цементным камнем / М. П. Кострикин // Вестник гражданских инженеров. – 2018. – № 4(69). – С. 116-120.
5. Совершенствование метода определения величины сцепления армирующих волокон с матрицей в фибробетоне / Ю. В. Пухаренко, Д. А. Пантелеев, М. И. Жаворонков, М. П. Кострикин // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2020 году : Сборник научных трудов РААСН: в 2 томах / Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН). Том 2. – Москва : Издательство АСВ, 2021. – С. 208-216.