Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие современных технологий создания новых ресурсоэффективных и долговечных композитных материалов требует поиска и совершенствования форм их эффективного применения в строительстве. Наибольшее распространение среди композитных материалов конструкционного назначения приобрела арматура композитная полимерная (АКП), используемая для стержневого армирования бетонных конструкций. Среди множества видов АКП особое внимание уделяется арматуре углекомпозитной (АУК), которая обладает высокими прочностными показателями и уникальными эксплуатационными свойствами. Возможность её применения в строительстве взамен традиционной стальной стержневой арматуры вызывает большой научный и практический интерес, который широко проявляется во всем мире. Этот интерес обоснован актуальностью вопросов создания новых видов армированных бетонных конструкций с уникальными свойствами для зданий и сооружений гражданской обороны или специального защитного назначения, а также других видов строений, которые в процессе эксплуатации могут быть подвержены динамическим воздействиям взрывного характера, связанными с диверсиями и террористическими актами или вызванными аварийными ситуациями, возникшими на производстве. Задачей проектирования подверженных таким воздействиям конструкций является недопущение возникновения в них предельных состояний (значительно отличающихся от статически нагруженных конструкций), при достижении которых возникает угроза для человеческих жизней и опасность повреждения материальных ценностей.
Среди известных результатов теоретических и экспериментальных исследований армированных АУК бетонных конструкций одним из наименее изученных является вопрос их прочности при кратковременном динамическом сжатии. Ввиду высоких прочностных свойств и значительной деформативности АУК реализация её прочностного потенциала в динамически нагруженных сжатых бетонных конструкциях тем больше, чем выше предельные сжимающие деформации бетона. Для повышения деформативности бетона, армированного АУК, могут использоваться различные способы его модифицирования, наиболее перспективными из которых являются применение углефибрового и внешнего углекомпозитного армирования.
Таким образом, разработка метода расчета прочности сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении является актуальной задачей.
Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВО ТГАСУ при финансовой поддержке «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по программе «УМНИК» (договор № 11906ГУ/2017 от 03.07.2017).
Степень разработанности темы исследования. В трудах отечественных и зарубежных авторов (М.К. Бейсембаев, С.А. Бокарев, С.В. Бондаренко, Д.С. Ванус, А.П. Васильев, С.В. Георгиев, Т.С. Евдокимова, С.Т. Захаров, Ю.Н. Карнет, С.В. Клюев, В.Н. Кондель, А.Н. Костенко, А.Л. Кришан, Д.В. Кузеванов, А.Е. Лапшинов, У.Х. Магдеев, С.А. Мадатян, Д.Р. Маилян, С.И. Меркулов, В.И. Морозов, Т.А. Мухамедиев, П.П. Польской, Ю.В. Пухаренко, Е.А. Рабинович, Б.Л. Рискинд, Д.Н. Смердов, К.В. Талантова,
4 В.В. Теряник, А.М. Уманский, Р.Ф. Фардиев, А.О. Хегай, Е.А. Чистяков, А.А. Шилин, M.Z. Afifi, S.H. Alsayed, A. Amer, L. Bisby, J. Brown, A. De Luca, M.L. Ehab, V. Egidijus, A. El-Kurdi, B. Fillmore, A. Hadhood, S. Jiang, N. Kawaguchi, E.M. Lotfy, A. Mirmiran, N.S. Paramanantham, H. Tobby и др.) приведены результаты исследований сжатых бетонных конструкций при различных параметрах стержневого (углекомпозитного или высокопрочного стального), фибрового (неметаллического или стального) и внешнего (углекомпозитного или стального) армирования при статическом нагружении. Данных о результатах исследований сжатых бетонных элементов с комбинированием углефибрового, стержневого и внешнего углекомпозитного армирования при кратковременном динамическом нагружении в литературе недостаточно.
Объектом исследования являются сжатые углеродофибробетонные элементы с углекомпозитным стержневым и внешним армированием.
Предметом исследования является метод расчета прочности нормальных сечений сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении.
Цель работы – создание метода расчета прочности нормальных сечений сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении и его экспериментальная проверка.
Задачи исследования:
исследовать прочностные и деформационные свойства при осевом сжатии углекомпозитной арматуры, а также бетона с углефибровым и внешним углекомпозитным армированием; предложить их диаграммы деформирования при кратковременном динамическом нагружении;
на основе анализа современных теоретических и экспериментальных данных уточнить предельные состояния и способы их нормирования для сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении;
создать метод и алгоритм расчёта прочности нормальных сечений динамически нагруженных сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием с учетом действительных диаграмм деформирования материалов;
провести расчеты прочности нормальных сечений динамически нагруженных сжатых бетонных элементов с различными параметрами углефибрового, стержневого и внешнего углекомпозитного армирования по предложенному методу и алгоритму расчёта;
выполнить экспериментальные исследования бетонных колонн с углефибровым, углекомпозитным стержневым и внешним армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружениях;
провести анализ и сопоставление результатов расчетов по разработанному методу с данными экспериментальных исследований.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с учетом результатов научных работ российских и зарубежных ученых в области исследования сжатых армированных бетонных конструкций с использованием фундаментальных положений строительной механики и современной теории железобетона. Физические эксперименты выполнены
5 в соответствии с общепринятыми стандартными и разработанными методиками проведения экспериментальных исследований с применением компьютерной обработки опытных данных.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается использованием базовых общенаучных методов и приемов исследования, а также согласованием теоретических результатов с опытными данными, полученными с применением современного сертифицированного оборудования и поверенных прецизионных измерительных приборов и датчиков.
Научная новизна работы заключается в получении новых знаний о прочности сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении, а именно:
выявлены особенности деформирования и разрушения АУК при осевом сжатии, предложены аналитические выражения, описывающие зависимость между напряжениями в продольной АУК и высотой сжатой зоны нормальных сечений динамически нагруженных сжатых бетонных элементов с углефибровым и внешним углекомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении;
впервые получено аналитическое описание нелинейной диаграммы деформирования углеродофибробетона (УФБ) с внешним углекомпозитным армированием и без него при кратковременном динамическом сжатии;
получены новые опытные данные о прочности углеродофибробетонных колонн с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом сжатии, экспериментально доказана эффективность применения стержневого углекомпозитного армирования при сжатии со случайными и малыми эксцентриситетами продольной силы;
разработан метод расчета прочности нормальных сечений сжатых бетонных элементов с различным сочетанием углефибрового, стержневого и внешнего углекомпозитного армирования, показавший хорошую согласованность с экспериментальными данными.
Личный вклад диссертанта заключается:
в выборе, обосновании актуальности и постановке цели исследования;
в разработке аналитических зависимостей для диаграмм деформирования АУК и УФБ при кратковременном динамическом сжатии;
в выявлении теоретических предпосылок и создании метода, алгоритма и программы расчета прочности нормальных сечений динамически нагруженных сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием;
в разработке программы и методологии испытаний углеродофибробетонных колонн с углекомпозитным стержневым и внешним армированием, непосредственном их проведении и анализе результатов.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
аналитическое описание расчетных моделей диаграмм деформирования АУК и УФБ при кратковременном динамическом сжатии;
метод расчета прочности нормальных сечений динамически нагруженных сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием, реализующий действительные диаграммы деформирования материалов;
результаты численного анализа влияния параметров углефибрового, стержневого и внешнего углекомпозитного армирования на прочность нормальных сечений сжатых бетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении;
методика проведения и результаты экспериментальных исследований прочности углеродофибробетонных колонн с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом сжатии со случайными и малыми эксцентриситетами продольной силы.
Теоретическую значимость работы представляют:
полученные модели диаграмм деформирования АУК и УФБ при кратковременном динамическом нагружении и их аналитическое описание;
разработанные теоретические положения и метод расчета прочности нормальных сечений динамически нагруженных сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием.
Практическую значимость работы представляют:
разработанный состав и способ изготовления УФБ, позволяющие получить значительный прирост прочности при сжатии армируемого фиброй бетона;
созданный в рамках исследования алгоритм и программный продукт для расчёта прочности нормальных сечений сжатых углеродофибробетонных элементов с углекомпозитным стержневым и внешним армированием при кратковременном динамическом нагружении;
внедрение результатов исследований в специальный курс и дипломное проектирование на кафедре «Железобетонные и каменные конструкции» ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлениям 08.05.01, 08.03.01 и 08.04.01 «Строительство»;
внедрение результатов исследований в проектном институте АО «ГСПИ» Госкорпорации «Росатом» при оценке несущей способности сжатых элементов каркаса проектируемых промышленных зданий и сооружений специального назначения.
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации были доложены и вошли в сборники материалов Международных Академических чтений «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (ФГБУ ВПО КГУ, г. Курск, 2014 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции «Молодая мысль: наука, технологии, инновации» (ФГБОУ ВПО БРГУ, г. Братск, 2014 г.), I, II, III и IV Международных научных конференций студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (ФГБОУ ВО ТГАСУ, г. Томск, 2014–2017 гг.), V Международного семинара-конкурса молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (г. Санкт-Петербург, 2015 г.), XIII и XV Международных конференций студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (ФГАОУ ВО НИ ТПУ, г. Томск, 2016 и 2018 гг.), Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные разработки в области технических и физико-математических наук: круглый стол № 2» (г. Казань, 2018 г.), Международной научно-практической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии»
7 (г. Москва, 2018 г.). Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно представлялись на научных семинарах кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, 2015–2018 гг.). В полном объёме диссертация была доложена на совместном научном семинаре кафедр в Томском государственном архитектурно-строительном университете (г. Томск, 2018 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, включая четыре статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК, две статьи, опубликованные в журналах, входящих в международные реферативные базы Scopus и Web of Science, один патент Евразийского патентного ведомства на изобретение и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Настоящая диссертация объемом 210 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов, заключения, списка литературы из 252 наименований, трёх приложений и содержит 11 таблиц и 78 рисунков.