Строительные конструкции из волокнистых композиционных материалов

Рис. 3.3. Классификация текстиль-бетонных конструкций по видам

направления. Во-первых, это ограждающие конструкции. К ограждающим конструкциям, которые могут быть как не несущими, так и несущими, относятся различные панели и сэндвич-панели. Какбылопоказановыше,основнымпреимуществомтакихпанелей являетсямалыйвес,иесливпервыхпримененияхразмерыпанелей былисовсемнебольшие–площадьюотодногододвухквадратных метров, что позволяло производить монтаж таких конструкций вручную с помощью двух рабочих, то в настоящее время площадь этихпанелейужедоходитдо15м2.Ещенаиболееперспективными являются сэндвич-панели, которые помимо двух слоев тонкого текстильно-армированного бетона включают в себя утеплитель. Во-вторых, мы имеем конструкции покрытий, которые в настоящеевремятакжеуспешноиспользуютсявреализацииуникальных проектов по строительным конструкциям. К покрытиям можно отнестиразличныеарки,купола,оболочкиит.д.Преимуществом сборных текстиль-бетонных конструкций, несомненно, является возможность их унифицированного изготовления на заводах по производству бетонных изделий. Готовые текстиль-бетонные конструкции монтируют непосредственно на строительной площадке. Данная цепочка аналогична той, которая используется для изготовления сборных железобетонных изделий.

31

Следующим видом текстиль-бетонных конструкций являются монолитныеконструкции.Монолитныеконструкциимогутнайти широкоеприменениетам,гдетруднопроизвестиунификациюконструкции. Среди наиболее перспективных областей применения монолитных текстиль-бетонных конструкций являются стеновые конструкции,аименноиспользованиеаддитивныхтехнологий,то есть3D-печатьконструкции,впринципетакже,какивозведение стен. Монолитные текстиль-бетонные конструкции могут применяться в различных областях.

Еще одним видом текстиль-бетонных конструкций является сочетаниесборныхэлементовимонолитногобетона,тоестьсбор- но-монолитные конструкции. Здесь возможны различные варианты применения сборно-монолитных конструкций. К таковым конструкциям можно отнести стеновые конструкции, например возведение конструкций из готовых текстиль-бетонных изделий с одновременным укладыванием бетона на месте строительства. Другим примером использования сборно-монолитных конструкций может быть изготовление несъемной опалубки из текстиль- но-армированногобетона,итаковыесборныеэлементыопалубки транспортируютсянаместостроительства,гдевпоследствиивозводится монолитная конструкция. Использование такой несъемной опалубкиведетксущественномууменьшениюрасходаматериалов. Спомощьютакойнесъемнойопалубки,например,можноизготавливать фундаменты конструкций, а также стеновые конструкции. Ещеоднимпримеромприменениясборно-монолитныхконструк- ций является изготовление пролетных строений мостов, как правилопешеходных.Вдальнейшемонитакжедоставляютсянаместо строительства, где из них производится сборка готового моста.

3.4. Разработка и проектирование текстиль-бетонных конструкций

Текстиль-бетонные конструкции все чаще находят применение

встроительстве. Строительные конструкции из текстильно-арми- рованного бетона используются для изготовления ограждающих конструкцийввидестеновыхпанелей,стениперегородок,покрытий

ввиде сводов, оболочек и складок, элементов инженерных систем,

32

декоративныхэлементовидр.Текстиль-бетонныеконструкциипред- ставляют собой конструкции с сетчатым армированием частыми ткаными, вязаными или плетеными сетками из высокопрочных ровингов.Текстиль-бетоннаяконструкциятакжеможетизготавли- ваться в сочетании со стержневой арматурой. Основным фактором целесообразности использования строительных конструкций из текстильно-армированногобетонавзданияхисооруженияхявляется снижениеихсобственноговеса,увеличенияматериалоемкостиидр.

Наибольшаявостребованностьданныхконструкцийпроявляется вихприменениидляизготовленияограждающихконструкцийстен и покрытий, как правило административных зданий. Перспективы применения являются достаточно широкими. ТАБ посвящено многостатей,восновномвзарубежнойлитературе.Однакоматериалу по вопросам проектирования текстиль-бетонных конструкций посвящено не так много работ, отсутствует систематизация. Также отсутствуетсравнениесаналогичнымиармоцементнымиижелезобетонными конструкциями по ряду ключевых технических показателей. В реализованных ТАБ-конструкциях покрытий толщина бетонасоставляет10–25мм,тогдакак,например,вармоцементных– 20–40 мм и в железобетонных – 50–70 мм. Проектную толщину защитного слоя текстиль-бетонной конструкции следует назначать не менее 2 мм. Основная экономия достигается за счет меньшего расхода бетона, уменьшения стоимости и снижения трудозатрат. В табл. 3.1 приведены сравнительные характеристики различных бетонных конструкций, демонстрирующие преимущества ТАБ.

ПроектированиеирасчетТАБ-конструкцийнеобходимоначи- натьсрациональноговыборатекстильнойарматуры.Ранеекратко былосказано,чтопривыбореисходныхармирующихровинговнадо опиратьсянаконечнуюобластьприменениятекстильнойарматуры. Крометого,надоприниматьвовниманиеразличиесвойствтехже углеродныхистеклянныхволоконвзависимостиотформыстроенияипроцессапереработки.Так,углеродноеволокно(филамент) имеет прочность 4000 МПа, в пропитанном эпоксидной смолой ровинге–3000МПа,встирол-бутадиентнойпропитке–2000МПа, а в исходном непропитанном виде только 1500 МПа. Аналогичные

33

*Всоответствиисминимальнойтолщинойзащитногослояирабочей арматурой диаметром 8 мм.

характеристики для стеклянного волокна (филамента) равны 3000МПа,пропитанныйэпоксиднойсмолойровинг1300–1400МПа инепропитанный–700–900МПа.Модульупругоститакжеснижа- ется, но ненамного и весьма близок к значениям волокна [13, 14]. Какправило,снижениемодуляупругостисоставляетнеболее10%.

Для строительных конструкций из текстильно-армированного бетона используется конструкционный мелкозернистый бетон по ГОСТ26633[15]среднейплотностинеменее2200кг/м3 скрупностью зерен до 2 мм в соответствии с ГОСТ 25192 [16].

Элементы конструкций должны соответствовать требованиям по прочности, жесткости и устойчивости. При проектировании строительных конструкций из текстильно-армированного бетона должныбытьпроизведенырасчеты,недопускающиевозникновения предельныхсостоянийвтечениесрокаслужбызданияилисооружениявсоответствиистребованиямиГОСТ27751[17]иположениями

34

СП 63.13330 [18], СП 96.13330 [19]. Расчеты по предельным состояниям первой группы включают расчеты по прочности и устойчивости формы. Расчеты по предельным состояниям второй группы включают расчеты по образованию трещин, раскрытию трещин и деформациям. Ширина раскрытия трещин не должна превышать 0,2 мм. Для наружных и внутренних стеновых конструкций из тек- стильно-армированного бетона могут применяться требования по отсутствиютрещинпоэстетическимпричинам.Нормативныедокументы СП 63.13330, СП 96.13330 не распространяются на арматуру из композиционных материалов.

При проектировании ТАБ-конструкции надо принимать во внимание [20]:

–технологию изготовления;

–характеристики армирующей сетки;

–свойства матрицы;

–геометрию конструкции.

Здесьвсечетырефакторавтойилиинойстепенинеразрывносвязанысдругсдругом.Технологияизготовлениянеразрывносвязана с характеристиками армирующей сетки. Здесь главным критерием являетсяразмервнутреннейячейкисетки,которыйпредопределяет выбор процесса, например литье или ламинирование. Первые два фактора также определяют геометрическую форму конструкции. Поскольку более плотные и тяжелые сетки существенно ограничивают возможности придания сложной формы изделию. В меньшей степени из всех указанных факторов оказывает влияние свойства матрицы.Практическивовсехреализуемыхпроектахонипримерно схожи. Главным критерием является максимальный размер зерна и подвижностьбетоннойсмеси.Максимальныйразмерчастицпеска не превышает 2 мм и должен соотноситься с размером внутренней ячейкисетки.Данноеусловиевыполняетсяи,вотличиеотармогрунтовых конструкций, имеет место другой механизм взаимодействия.

Видармирующейсеткиопределяетсястроениемполотна(сетки). Оно может быть либо плоское (2D), либо пространственное (3D).Подразнуютехнологиюпроизводстваможетиспользоваться какплоское,такипространственноеполотно.Дляармирования

35

строительныхконструкцийизтекстильно-армированногобетона применяют армирующие сетки (полотна).

По способу изготовления сетки подразделяются:

–на тканые;

–основовязаные;

–плетеные.

Для изготовления армирующих сеток используют устойчивые к щелочной среде бетона высокопрочные нити, ровинги и ленты. Основныевидысырьядляизготовленияармирующихсетоквключают следующие виды волокон:

–щелочестойкие стеклянные;

–углеродные (У);

–базальтовые (Б);

–арамидные (А).

Дляповышениястабильностиразмеровиустойчивостикмеханическимповреждениямполонапокрываютполимерным(эпоксидные смолы, карбоксилированный стирол-бутадиеновый каучук и др.), силикатным (силикат калия), акриловым или другим покрытием.

По форме ячеек в свету армирующие сетки подразделяются:

–на квадратные ячейки;

–прямоугольные ячейки;

–ромбические ячейки.

По размеру ячеек в свету армирующие сетки подразделяются:

–на малые (до 50 мм2);

–средние (до 150 мм2);

–крупные (свыше 150 мм2).

Формастроениявнутреннейячейкиармирующейсеткизависит оттипапереплетения,используемогопривыработкесетки,иколичестваусилительныхнитейпогоризонталиивертикали.Количество усилительныхнитейнаединицудлиныподвумнаправлениямопределяетформустроениявнутреннейячейки.Взависимостиотихсоотношенияформаможетбытьлибоквадратная,либопрямоугольная, какпоказанонарис.3.4,а ирис.3.4,б соответственно.Крометого, формастроениявнутреннейячейкиможетбытьслегкавидоизменена за счет наличия дополнительной сетки из провязывающих нитей,

36

как показано на рис. 3.4, в. Сетка поставляется в рулоне. Ширина армирующей сетки составляет 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1500 мм.

По согласованию могут изготавливаться сетки другой ширины. Размер ячейки измеряется в мм. Определяется для ячейки ква-

дратнойформыкакр,дляячейкипрямоугольнойформыкакp и q. Например, для минимальной ячейки размером 6 × 6 мм будет p =6мм,адляячейкиразмером6×10ммбудетp =6мм,q =10мм. Использованиесетоксболеемелкимиячейкамизатрудняетукладку бетонной смеси.

Нарис.3.5показаныперспективныесечениятекстиль-бетонных конструкцийпокрытий,включаяП-образныепанели(рис.3.5,а), Т-образные элементы (рис. 3.5, б), складчатые (рис. 3.5, в) и волнообразные (рис. 3.5, г). Текстиль-бетонные конструкции могут опираться на стены или колонны.

Рис. 3.4. Форма строения внутренней ячейки армирующей сетки

а) б)

Рис. 3.5. Сечения текстиль-бетонных конструкций покрытий

37

3.5. Расчет текстиль-бетонных конструкций

Расчет текстиль-бетонных конструкций производят аналогично расчету армоцементных конструкций. Расчет сечений элементовармоцементныхконструкцийпроизводитсяисходяиз равномерногораспределенияэлементовволокнистойарматуры по сечению. Количество волокнистой арматуры выражается черезкоэффициентсетчатогоармированияμнаединицудлины элемента

µ= AtS ,

гдеAS –площадьсечениясеткинаединицудлиныэлемента,мм2/мм; t – толщина элемента на участке сечения, мм.

Площадьсечениясеткинаединицудлиныэлементаопределяется исходя из количества ровингов на ширину армирующей сетки по основе и по утку по формулам соответственно:

ASm = nmAp,

ASn = nsAp,

где Ap –площадьсеченияровинга,мм2;nm и ns –количестворовингов по основе и по утку.

Далееприведемнаиболеевостребованныерасчетырастянутых и изгибаемых элементов текстиль-бетонных конструкций.

3.5.1. Растянутые элементы

Основным отличием при определении предельного состояния являетсянедостижениетекучестирастянутойстальнойарматуры, а достижение максимального значения прочности волокнистой арматуры с учетом необходимых понижающих коэффициентов. На рис. 3.6 показана схема усилий и эпюра напряжений в растянутом текстиль-бетонном элементе. Направление растягивающего усилия совмещено с центральной осью элемента. Растянутые элементытекстиль-бетонныхконструкцийвключаютвсебястены круглых резервуаров, трубы и другие конструкции.

38

Расчетсеченияцентральнорастянутыхэлементовпроизводится исходя из алгебраической суммы проекций всех сил на ось:

Внутренние силы определяются исходя из

Nсеч =RSμA,

гдеA–площадьсеченияэлементаконструкции,мм2;RS –расчет- ное значение сопротивления арматуры растяжению, МПа.

Расчетные значения сопротивления арматуры растяжению RS при проектировании свойств сетки от свойств исходного армирующего ровинга определяют по формуле

RS = γσр .

tex

В случае известной прочности армирующей сетки по формуле

RS = γσn .

tex

Коэффициент надежности по арматуре, равный 1,5 [20], для предельных состояний первой группы.

h

b

Рис. 3.6. Схема усилий и эпюра напряжений в растянутом текстиль-бетонном элементе

39

расчетаявляетсяопределениетолщиныбетоннойстенкиприрасчете бетона на растяжение. На рис. 3.7 представлена расчетная схема стенки резервуара.

Растягивающее кольцевое усилие на единицу длины стенки резервуара определяется по формуле

T = ρgRH,

где H – глубина погружения, м; R – радиус резервуара, м. Тогда площадь поперечного сечения арматуры определяется из

AS = ρgRH . Rs

Найдяплощадь,можноопределитьтолщинустенкирезервуара.

3.5.2. Изгибаемые элементы

Нарис.3.8представленасхемаусилийиэпюранапряженийвсе- чениитекстиль-бетонногоэлементаприизгибе.Рабочаяарматура располагается только в растянутой зоне.

40