Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса применения сталефиб-робетона в строительстве и задачи исследований
1.1. Краткий обзор развития сталефибробетона 9
1.2. Примеры применения и области эффективного использования сталефибробетона 10
1.3. Экономическая оценка применения сталефибробетона в строительных конструкциях 13
1.4. Конструкции железобетонных безнапорных труб, применяемых в водопропускных системах автодорог и способы их производства 17
1.5. Анализ исследований ударной прочности сталефибробетона при воздействии динамических нагрузок от автомобильного транспорта 22
1.6. Анализ методик расчета прочности сталефибробетона 29
Выводы по главе 1 43
Цели и задачи исследования 44
Глава 2. Экспериментально-теоретические исследования сцепления стальных фибр с цементным камнем .
2.1. Стальная фибра, применяемая для армирования бетонов... 45
2.2. Оценка влияния технологических параметров фибр на процесс приготовления и укладки сталефибробетоной смеси 49
2.3. Исследование физико-механических свойств стальных фибр 53
2.4. Представление о работе стальной фибры при вытягивании из матрицы 58
2.5. Результаты определения величины сцепления стальной фибры с цементным камнем 63
Выводы по главе 2 71
Глава 3. Экспериментально-теоретические исследования свойств сталефибробетонных смесей и сталефибробетона .
3.1. Основные подходы к проектированию составов сталефибробетонных смесей 73
3.2. Оценка однородности распределения фибры в стале-фибробетонной смеси 78
3.3. Исследование реологических свойств сталефибробетонных смесей 79
3.3.1. Определение прочности и деформативности сталефибро-бетонной смеси при растяжении (начало «ложного» схватывания) 82
3.3.2. Определение прочности и деформативности сталефибро-бетонной смеси при сжатии (начало «ложного» схватывания) 85
3.3.3. Определение величины предельного напряжения сдвига сталефибробетонной смеси (начало «ложного» схватывания) 88
3.4. Исследование прочностных свойств сталефибробетона 91
Выводы по главе 3 96
Глава 4. Предложения по уточнению существующей методики расчета сталефибробетонных безнапорных водопропускных труб, изготовленных методом центрифугирования .
4.1. Построение расчетной модели сталефибробетонного элемента 97
4.2. Представление о работе фибры в сечении с трещиной 99
4.3. Экспериментальные исследования разрушающей нагрузки для сталефибробетонных водопропускных труб в зависимости от конструктивных параметров 104
4.4. Определение влияния видов технологии производства сталефибробетонных безнапорных водопропускных труб на их прочность 113
4.5. Общие положения методики расчета сталефибробетонных водопропускных труб 116
4.6 Уточнение существующей методики расчета сталефибробетонных водопропускных труб по предельным состоя ниям первой группы 117
4.7. Уточнение существующей методики расчета сталефибро бетонных водопропускных труб по предельным состоя ниям второй группы 120
4.7.1. Расчет по образованию трещин 120
Выводы по главе 4 122
Глава 5. Сравнение расчетных значений усилия разрушения сталефибробетонных безнапорных водо пропускных труб с экспериментальными величи нами .
5.1. Характеристики материалов, примененных при опытном изготовлении сталефибробетонных труб 123
5.2. Изготовление и испытание опытных образцов безнапорных водопропускных труб из сталефибробетона 125
5.3. Расчет сталефибробетонных труб по методике автора применительно к серии 3.501-59 132
5.4. Сравнение результатов расчета разрушающей нагрузки сталефибробетонных безнапорных водопропускных труб по различным методикам с экспериментальными величинами 139
Выводы по главе 5 142
Основные выводы и рекомендации 143
Библиографический список использованной литературы
- Краткий обзор развития сталефибробетона
- Стальная фибра, применяемая для армирования бетонов...
- Основные подходы к проектированию составов сталефибробетонных смесей
- Построение расчетной модели сталефибробетонного элемента
Введение к работе
Безнапорные железобетонные трубы в водопропускных системах в мировой строительной практике давно составляют конкуренцию трубам из других материалов. В общем балансе потребления безнапорных водопропускных труб они занимают ведущее место и обладают наибольшими технико-экономическими преимуществами по сравнению с трубами из чугуна и стали.
Безнапорные водопропускные трубы относятся к конструктивным элементам, работающим на восприятие ударных, динамических и температурных воздействий, в которых направление главных растягивающих усилий и образование пластических шарниров или неизвестно, или может меняться во время эксплуатации. Поэтому применение железобетона и условия его работы в конструкциях водопропускных труб делают актуальной задачу поиска способов повышения трещиностойкости, ударной прочности, морозостойкости, уменьшения истираемости и других характеристик, которые, в свою очередь, зависят от прочности на растяжение.
Одним из решений в этом плане является применение в конструкциях водопропускных труб бетона с добавлением армирующих элементов в виде коротких стальных отрезков длиной 30-40мм (фибр), то есть сталефибробетона.
Комбинирование жестких - и поэтому обладающих значительными резервами прочности - волокон (фибр) с матрицей (бетоном) позволяет локализовать опасность, связанную с хрупким разрушением матрицы и реализовать таким образом основные свойства фибр: повышенный модуль упругости и большую потенциальную прочность на растяжение.
Цель работы заключается в совершенствовании методики расчета сталефибробетонных безнапорных водопропускных труб, изготовленных методом центрифугирования, учитывающей влияние динамических воздействий и вид технологии изготовления труб.
Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать существующие методики расчета сталефибробетонных конструкций;
2. Исследовать свойства различных видов стальных фибр, выбрать фибровое армирование конструкции водопропускной трубы, а так же исследовать реологические свойства сталефибробетонных смесей и физико-механические свойства сталефибробетона;
3. На основании полученных экспериментально-теоретических исследований уточнить существующую методику расчета сталефибробетонных безнапорных водопропускных труб, изготовленных методом центрифугирования;
4. В заводских условиях изготовить методом центрифугирования и внедрить в водопропускных системах автомобильных дорог опытную партию сталефибробетонных безнапорных труб.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложено уточнение существующей методики расчета сталефибробетонных труб, изготовленных методом центрифугирования, учитывающей вид технологии изготовления труб и влияние динамических воздействий;
2. Получены результаты экспериментально-теоретических исследований свойств семи видов стальных фибр, реологических свойств сталефибробетонных смесей и физико-механических свойств сталефибробетона;
3. Теоретически и экспериментально определено изменение разрушающей нагрузки для сталефибробетонных безнапорных водопропускных труб в зависимости от процента фибрового армирования и толщины стенки трубы;
4. Анализ результатов сравнения расчетных значений разрушающей нагрузки для сталефибробетонных труб, определенных по различным методикам, с экспериментальными величинами, показавший лучшую сходимость при расчете по методике автора.
Практическая значимость работы. Разработана конструкция сталефибробетонной безнапорной водопропускной трубы, обладающая повышенной прочностью на растяжение и трещиностойкостью по сравнению с типовыми железобетонными трубами по серии 3.501-59 и по ГОСТ 6482-88.
Предложенная конструкция трубы изготовлена методом центрифугирования на предприятии ООО «Железобетон», г. Н-Тагил и внедрена в водопропускных системах автодорог ОАО «Центральная компания» финансово-промышленной группы «Средуралстрой», г. Екатеринбург, 000 «Сотл», г.Очамчыра, респ. Абхазия.
Разработаны и внедрены в практику проектирования и строительства «Рекомендации по применению сталефибробетона при строительстве и ремонте искусственных сооружений на автодорогах». На защиту выносятся:
1. Уточнение существующей методики расчета сталефибробетонных труб, изготовленных методом центрифугирования;
2. Результаты экспериментально-теоретических исследований свойств семи видов стальных фибр, реологических и физико-механических свойств сталефибробетонных смесей и сталефибробетона;
3. Теоретические и экспериментальные исследования изменения разрушающей нагрузки сталефибробетонных безнапорных водопропускных труб в принятом диапазоне изменения конструктивных параметров;
4. Анализ результатов сравнения расчетных значений разрушающей нагрузки для сталефибробетонных труб, определенных по различным методикам, с экспериментальными величинами, показавший лучшую сходимость при расчете по методике автора.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях Уральского отделения Международной Ассоциации строительных ВУЗов «Строительство и образование» (Екатеринбург, 2003, 2004, 2006гг); научно-технической конференции «Наука, образование, производство» (Н-Тагил, 2004, 2005гг), научно-технической конференции «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2005г), Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2006г), на заседании кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» КГ АСУ (Казань, 2006г), а также опубликованы в центральной печати. Основные положения диссертационной работы отражены в 6 опубликованных работах, в том числе в двух ведущих рецензируемых научных изданиях: сборник научных трудов «Строительство и образование» (Екатеринбург, 2004) и журнал «Промышленное и гражданское строительство» (Москва, 2005г).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Она изложена на 165 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков, 42 таблицы, 4 приложения и библиографический список из 137 наименований.
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский Государственный Технический Университет - УПИ» на кафедре «Строительные конструкции» и кафедре «Технология и организация строительного производства» НТИ(ф) УГТУ-УПИ.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, профессору, д.т.н. Носкову Александру Семеновичу за большую помощь в написании данной работы. Автор также благодарит д.т.н. Б.С. Соколова, к.т.н. Ю.Н. Карнета, В.А. Сычева, к.т.н. В.Г. Дубинину, к.т.н. Т.Г. Янцен, к.т.н. Б.А. Евсеева за помощь в подготовке диссертации.
Краткий обзор развития сталефибробетона
Повышенное сопротивление сталефибробетона разрушению от различного рода эксплуатационных воздействий (механических, тепловых, химических) является темой большого числа отечественных и зарубежных исследований [2, 8, 19, 21, 34, 44, 45, 46, 51, 55, 66, 67, 75, 81, 91, 107, 112, 113,129].
Идея равномерного распределения арматуры по всему объему бетона с целью придания ему качественно новых свойств возникла в начале использования железобетона.
Первым исследователем свойств сталефибробетона следует считать русского инженера В.П. Некрасова [60, 61]. Уже в 1907 году при испытаниях, проведенных им, отмечалось увеличение кубиковой прочности по сравнению с неармированным бетоном. В.П. Некрасовым получен и первый в мире патент на сталефибробетонную конструкцию с приоритетом от 13 ноября 1907 года [62]. Им же были изготовлены и испытаны первые конструкции из сталефибробетона [63]. Ему также принадлежат и первые теоретические разработки [60, 62, 63]. Итогом исследований В.П. Некрасова явилась монография «Новый железобетон» [59], в которой приводится ряд экспериментальных результатов, предлагается эмпирический расчет прочности и делается вывод о перспективности этого материала. Однако ввиду низкого уровня техники того времени сталефибробетон распространения не получил.
В строительстве сталефибробетон долгое время не применялся. Начиная с 60-х годов, наступает новый этап в исследовании сталефибробетона. Под руководством I.P. Romualdi [124, 125] были проведены важнейшие экспериментально-теоретические исследования по прочности и трещиностойкости сталефибробетона. Были выполнены первые современные теоретические разработки, имеющие целью прогнозирование свойств сталефибробетона. Развивается теория, основанная на «концепции интервалов». Несколько позднее английские исследователи P.S. Mangat и R.N. Swamy применили к сталефибробетону, как к композиции, «закон смесей» [130,131, 132].
В СССР эти две теории расчета были расширены и дополнены. Получила распространение теория, основанная А.П. Павловым и Г.Г. Степановой на «концепции интервалов», и теория, основанная И.А. Лобановым, Ф.Ц. Янкеловичем на «законе смесей», а также новые расчетные модели, такие как статистический метод расчета прочности (В.Д. Харлаб); расчет на основе модуля фибрового армирования (Л.Г. Курбатов); дискретная теория прочности (В.П. Романов, В.П. Вылегжанин); расчет, основанный на теории прочности железобетонных конструкций (Л.Г. Курбатов, В.М. Косарев) и др.
В настоящее время число работ по сталефибробетону растет, исследования проводятся во многих странах: США [111, 112, 128, 136, 137], России [2, 8, 22, 43, 51, 56, 66, 71, 75, 90], Великобритании [34, 107, 117], Индии [122, 123, 124], Японии [116] и ряде других стран. Однако, несмотря на наличие ряда разработок, опубликованные экспериментальные данные к настоящему времени характеризуются большим разбросом. В то же время все сходятся на том, что фибровое армирование является эффективным, экономичным и технологичным.
Физико-механические свойства сталефибробетона обусловлены большой степенью дисперсности армирования, разнонаправленностью фибр. Пронизывая объем бетона в разных направлениях, фибры улучшают структуру бетона, блокируя направление дефектности строения цементного камня. Высокие физико-механические характеристики, простота в изготовлении и значительная экономичность определяют области эффективного использования сталефибробетона.
Одним из главных обстоятельств, сдерживающих развитие применения сталефибробетона, является высокая стоимость дисперсной арматуры. При этом такие эффективные виды дисперсной арматуры, как стальное волокно, получившее наиболее широкое применение, в то же время являются достаточно дорогими. Однако перспективы расширения производства и совершенствование технологии заготовки дисперсной арматуры указывают на возможность снижения его стоимости в будущем.
Укладка сталефибробетона (применительно к конструкциям труб) не вызывает больших трудностей, хотя специфика технологических приемов и присутствует. Он укладывается методами виброформования, радиального прессования, центрифугирования и др. (см. рис. 1.3).
Благодаря высокой ударной вязкости, высоким прочностным показателям при работе в условиях сложно-напряженного состояния и трещиностойкости сталефибробетона, его применение наиболее целесообразно и эффективно в конструкциях, воспринимающих большие динамические нагрузки и работающих в условиях, где образование и значительное раскрытие трещин сопряжено с условием безаварийной эксплуатации сооружения.
Приведем наиболее перспективные области применения сталефибробетона: 1. Взлетно-посадочные полосы, которые вследствие увеличения веса и размеров современных самолетов подвергаются значительным динамическим нагрузкам. Причем из сталефибробетона выполняется только 10-12 сантиметровый слой аэродромных покрытий, а срок службы их увеличивается в 2,5-3 раза; 2. Полы цехов, подверженных истиранию и высоким ударным воздействиям;
Стальная фибра, применяемая для армирования бетонов...
Стальная фибра, применяемая для армирования бетонов. При проектировании состава сталефибробетона и последующего изготовления конструкций водопропускных труб из него первоначальной задачей является выбор вида и оптимальных параметров волокон, обеспечивающих необходимые прочностные показатели изделий и технологию изготовления [68, 82].
В настоящее время для производства армирующих волокон используется в основном три вида материалов: сталь, стекло и различные синтетические материалы [70, 83]. Однако, применительно к конструкциям водопропускных труб, предпочтение отдается стальным фибрам, поскольку стальная арматура имеет высокий модуль упругости, практически одинаковый с бетоном коэффициент линейного температурного расширения, хорошую стойкость к коррозии в бетоне и т.д. Кроме того, многолетняя практика обработки металла предопределила использование отдельных приемов для производства фибры, обеспечив тем самым ее широкое распространение.
На мировом рынке представлено более десятка разновидностей стальных фибр, производимых в России, США, Германии, Великобритании, Бельгии, Японии, Швеции и Австралии.
В практике производства стальных фибр [28, 83, 135] известны четыре принципиально отличных способа получения металлической фибры: рубкой из проволоки; фрезерованием из сляба или блюмса; экстрагированием из расплава металла; рубкой из стального листа (см. табл. 2.1).
При выборе той или иной технологии производства фибр руководствуются не только прочностными и технологическими свойствами конечного продукта - фибры, но и стоимостью исходного сырья, оборудования и производственного процесса.
Анализ современного производства исходного продукта для изготовления фибры показывает, что чем выше готовность исходного продукта, тем ниже энергоемкость процесса производства фибры и материалоемкость оборудования (табл. 2.1 и 2.2) [70].
Наиболее простой технологией изготовления фибр является их рубка из проволоки 0 0,2...1мм. Полученная фибра имеет высокую прочность и постоянные геометрические характеристики. Однако такая фибра имеет ряд недостатков, основные из которых - высокая стоимость исходного сырья (в 2,2 раза больше стоимости сляба и на 40% больше стоимости стального листа [ 119]), что отражается на стоимости конечного продукта, и низкая прочность сцепления с бетоном. Накатка на поверхности таких волокон насечек не обеспечивает требуемого уровня прочности сцепления с бетоном, а устройство различных видов анкеров на концевых участках приводит к повышенному комкованию при хранении, транспортировании, введении и перемешивании смеси [109, 114].
Производство фибр из отработанных канатов можно рассматривать как разновидность способа получения фибр из проволоки [17, 18, 70]. К достоинствам такого способа можно отнести невысокую стоимость конечного продукта, сопоставимую со стоимостью фибр из стальной ленты и его содействие в утилизации отходов. Недостатками этой технологии являются трудности в предварительной обработке канатов, неоднородность фибр по диаметру и возможное поражение коррозией отдельных фибр [68].
Для производства волокна из сляба или блюмса используется более дешевое исходное сырье - полуфабрикат сталепрокатного производства. Такая фибра не образует устойчивых шарообразных комков при транспортировке и перемешивании и легко вводится в смеситель. Однако, полученное волокно отличается значительным непостоянством геометрических размеров и неоднородностью физико-механических свойств. Кроме того, оборудование для производства таких волокон имеет высокую стоимость и большую энергоемкость (см. табл. 2.1 и 2.2).
Основные подходы к проектированию составов сталефибробетонных смесей
В задачу проектирования состава сталефибробетонной смеси входили выбор материалов, и установление их расхода на 1 м3 сталефибробетонной смеси, при котором надежно и наиболее экономично обеспечиваются требуемые физико-механические показатели бетона и бетонной смеси.
В полной мере удовлетворяя эти положения по отношению к бетону, армированному стальным волокном, следует учитывать и то обстоятельство, что зерна щебня могут нарушать равномерность распределения стальной фибры по занимаемому объему, оттесняя и концентрируя ее в полостях между крупным заполнителем. Это обстоятельство отражается на свойствах сталефибробетона, нарушая его однородность и плотность [43, 51]. Отмеченных отрицательных факторов можно избежать, назначая максимальную крупность щебня в зависимости от принимаемого процента армирования бетона, и не более связанного с этим среднестатистического расстояния между волокнами в массе бетона, определяемого по формуле Г.Г. Степановой [94], являющейся уточненным вариантом формулы, предложенной Romualdi и Mandel [124]: S = l2,5dfE (3.1) где S - расчетное расстояние между фибрами, мм; df,lf -соответственно диаметр и длина волокна, мм; /л - объемный процент армирования, %.
Максимальный размер крупного заполнителя Смах назначается не более расчетного расстояния между волокнами и определяется по формуле: Сшх 5,3- (3.2)
Подобранный состав сталефибробетонной смеси должен обладать удобоукладываемостью, обеспечивающей укладку и уплотнение смеси предусмотренным в проекте способом. При этом необходимо стремиться к минимально возможному расходу цемента, при одновременном обеспечении заданных свойств сталефибробетона. Определение состава сталефибробетона осуществляется в два этапа: Определяется состав исходного бетона; Полученный состав корректируется с учетом влияния фибровой арматуры на соотношение компонентов.
В «Рекомендациях по проектированию и изготовлению сталефибробетонных конструкций» [74] предлагается корректировать исходный состав бетона путем увеличения содержания в объеме бетона цементного теста. Данное решение основано на предположении о том, что введение дисперсной арматуры приводит к необходимости покрытия ее поверхности пленкой цементного теста и заполнения цементным тестом пустот, образовавшихся в результате введения в смесь фибры. Однако, такой способ корректировки состава бетона противоречит требованиям, предъявляемым к составу бетона.
Как нам представляется, наиболее целесообразно корректировать исходный состав бетона путем введения в него такого количества цемента, чтобы заполнить пустоты, образовавшиеся из-за введения фибры, с одновременным исключением из состава бетона части песка, площадь боковой поверхности которого (5 ) равна площади боковой поверхности вводимой фибры (S f): sz = sf (3-3) І Для определения расхода песка на 1м бетона можно воспользоваться следующей формулой [74]: Яб= Рп (3.4) где р„ - плотность песка; Vm - объем цементного теста, необходимый для заполнения пустот и покрытия поверхности песка пленкой цементного теста. Величину Vm с учетом необходимости заполнения дополнительных пустот, образовавшихся из-за введения фибры, можно определить по формуле: = /+4 (3.5) Рп где 5" л - удельная боковая поверхность песка; / - толщина пленки цементного теста на поверхности песка; а„ - пустотность песка; Кп - коэффициент, учитывающий изменение пустотности песка при введении дисперсной арматуры [57] Зная, что SZl = Scam„ec и учитывая формулу (3.3) получим: пес оиес йудел (3.6) Определим количество волокон в 1 кг фибр по формуле: tf = -L = _! (3.7) т V о ,пф у ф И етапи где Шф,Уф - соответственно масса и объем фибры; Рстти - плотность стали. Тогда общую боковую поверхность 1 кг фибр можно определить по формуле: St=NSt=- - (3.8) ф г стали
Определим общую боковую поверхность фибр в 1м фибробетона в зависимости от процента армирования по формуле:
По формуле (3.14) удельная поверхность мелкого заполнителя, используемого в исследованиях, при коэффициенте А=2,0 составляет 26см /г. В табл. 3.1 приведена масса песка с удельной поверхностью зерен 26 см /г, которую необходимо исключить из состава сталефибробетона при его корректировке по предлагаемой методике.
Для дальнейших исследований был подобран следующий состав сталефибробетона (на 1м3): Цемент (М400): 410кг; Песок (Мк =2,0-2,5): 710кг; Щебень (фр. 5 10мм): 1120кг.
Так как водоцементное отношение и процент армирования бетона фиброй в экспериментах были величинами переменными, то в приведенном выше составе количество песка указано без учета влияния на него боковой поверхности фибры.
Параметр равномерности распределения дисперсной арматуры является интегральным, на его значение влияют многие факторы: качество цемента, качество и количество фибры, состав смеси, геометрические характеристики фибры.
Целью проведенных нами опытов являлось установление степени однородности сталефибробетонной смеси. Определение степени однородности бетонной смеси при уплотнении производилось по следующей методике. Прибор крепили прижимными устройствами к столу виброплощадки через днище нижнего цилиндра. Во избежание разбрызгивания уложенной в цилиндры бетонной смеси ее укрывали влажной тканью.
Предварительно взвешенную в сосуде сталефибробетонную смесь укладывали в прибор и уплотняли в соответствии с требованиями ГОСТ 10181 [12].
По окончании вибрирования поверхность смеси выравнивали. Аккуратно снимали верхнее кольцо, собирали сталефибробетонную смесь на сито № 0,63 стандартного набора. Отмытые на сите остатки щебня и фибры высушивали при температуре 150С в течение 1,5 часов, затем фибру собирали постоянным магнитом и взвешивали с точностью до 0,1 г.
Построение расчетной модели сталефибробетонного элемента
Теоретические модели дисперсно-армированных цементных систем обычно основываются на том допущении, что ориентированные прерывистые волокна распределены по матрице однородно. Предполагается также, что как волокна, так и матрица обладают упругостью до самого момента разрушения. Зона контакта фибры и матрицы представляется однородной и сплошной. Обычно теории, прогнозирующие механические свойства цементных композитов, сводятся к расчету таких факторов, как взаимодействие «фибра-матрица», ориентация и длина фибры и поверхностной трещины.
Поскольку для сталефибробетонных конструкций кольцевого сечения без стержневой арматуры теория расчета железобетонных элементов не дает адекватных результатов, нами предлагается рассматривать трубу, как армоцементную с сетчатым армированием.
Сетчатое армирование отличается от фибрового армирования, поэтому расчет кольцевых элементов необходимо вести по СНиП 2.03.03-85 «Армоцементные конструкции» с заменой величин согласно табл.5 РТМ 17-01-2002 [80].
Тем не менее, использовать эти формулы, полученные путем простой замены, нельзя. Исследования, проведенные автором на образцах кольцевого сечения, показали, что на несущую способность существенное влияние оказывает вид технологии производства сталефибробетонных труб. Поэтому при уточнении методики расчета сталефибробетонных элементов кольцевого сечения автором предлагается учитывать вид технологии производства труб.
При расчете по прочности предельные усилия в сечении, нормальном к продольной оси кольца, определяются, исходя из следующих предпосылок: Сопротивление сталефибробетона сжатию выражается напряжениями, равными Я/Л, линейно распределенными в сжатой зоне кольца (Рис. 4.1); Сопротивление сталефибробетона растяжению выражается напряжениями, равными К1Ы, равномерно распределенными в растянутой зоне кольца (Рис. 4.1); Фибровую арматуру следует принимать равномерно распределенной по сечению элемента; При расчете необходимо учитывать вид технологии производства сталефибробетонных труб введением соответствующего коэффициента; Напряжения в сжатой зоне определяются с учетом упругих деформаций сталефибробетона; Напряжения в растянутой зоне определяются с учетом неупругих деформаций сталефибробетона, с равномерным распределением по высоте растянутой зоны.
При этом значения сопротивления сталефибробетона сжатию Rlh и растяжению к/ы могут изменяться в пределах частей сечения кольца, в зависимости от его размеров, что учитывается расчетом.
Построение расчетной модели прочности будем производить с учетом вышеуказанных допущений. При этом за основную методику расчета прочности сталефибробетона возьмем методику, принятую «Руководящими техническими материалами по проектированию и применению сталефибробетонных строительных конструкций» (РТМ 17-01-2002, Москва, НИИЖБ,2003,73с.)[80].
Короткие волокна, будучи произвольно ориентированными в объеме бетона, создают пространственный каркас, который через силы сцепления с матрицей воспринимает усилия различного направления, приложенные к бетону, и, как следствие, значительно сдерживает образование и развитие в нем трещин. Даже после образования трещин, которое происходит при разрыве фибр или при нарушении их сцепления с бетоном, оставшиеся фибры, блокируя трещину, препятствуют дальнейшему ее росту.
В соответствии с главным условием получения композиционного материала с повышенной по сравнению с матрицей прочностью, необходимо, чтобы материал волокон был более прочным, чем материал матрицы. Однако прочность композиционного материала зависит не только от прочности матрицы и волокна, но и от определенного отношения величин их предельных растяжимостей. Это видно из графика, представленного на рис.4.2 [90].
Из теории композитов [64, 65] известно, что для получения композиционного материала с наивысшей прочностью необходимо использовать матрицу и волокно с одинаковой предельной растяжимостью (« = ?2 ) Однако обеспечить это на практике трудно. Поэтому предпочтение отдают варианту, при котором матрица имеет предельную растяжимость большую, чем волокно. Тогда прочность волокна в композиционном материале используется полностью, а прочность матрицы в момент разрыва недоиспользуется. Поскольку наибольшую прочность в композиционном материале имеет волокно, а не матрица, то этот вариант выгоднее, чем вариант с волокном, имеющим большую предельную растяжимость, чем матрица, когда при разрушении композиционного материала прочность волокна полностью не используется.
