Арматура композитная или железная какая лучше для фундамента: Арматура композитная или железная – какую лучше выбрать?

Арматура композитная или железная – какую лучше выбрать?

Современные здания и сооружения в большинстве случаев строят с использованием железобетонных панелей. Обязательным элементом таких конструкций до последнего времени являлись металлические прутки. Но с появлением полимеров строителям приходится задумываться над тем, что лучше для конкретного случая — металлическая или стеклопластиковая арматура.

Грамотный ответ на этот вопрос вы сможете получить у менеджеров производственно-торгового холдинга «Композит-Юг». Являясь производителем изделий из стеклопластика, мы знаем все преимущества этого материала и готовы рассказать о них каждому покупателю.

Плюсы пластикового и металлического материала

Стекловолокно и сталь — совершенно разные материалы, но они оба находят широкое применение в строительной отрасли. Причем в последние годы пластик уверенно вытесняет металл. Это неудивительно, так как по своим характеристикам композитная арматура значительно превосходит изделий из металла и является лучшим выбором для фундамента.

Преимуществами этого материала являются:

небольшой вес;
непроводимость электрического тока;
устойчивость к воздействию химических веществ;
сохранение свойств даже при температуре минус 40º С;
высокая прочность на разрыв.

У металлических прутков тоже имеются свои достоинства, и одним из них является возможность выдерживать высокие нагрузки на изгиб. В отличие от пластикового изделия стальной прут сгибается под нужным углом, что делает его незаменимым в фигурном армировании, а также там, где имеется необходимость в электросварке.

Но чтобы определить, какая арматура будет наилучшей для возведения фундамента — пластиковая или металлическая, — необходимо учесть основные характеристики каждого материала.

Применение арматуры

Так, композитные прутки толщиной до 12 мм с насечками подойдут для монолитной плиты и ростверка. Гладкие — для заливки фундамента под легкие хозяйственные постройки.

Металлические остаются востребованными при возведении многоэтажных зданий и промышленных объектов, где требуется высокая прочность на сжатие.

Получить более точную информацию о каждом из рассматриваемых материалов поможет таблица, в которой выполнено сравнение характеристик стальной и стеклопластиковой арматуры.

Глядя на приведенные характеристики, будет несложно определить, что лучше — композитная арматура или стальная.

Характеристики металлической и стекплопластиковой арматуры

Характеристика	Металл	Композитная арматура
Материал	Сталь	Стекловолокно
Временное сопротивление при растяжении, МПа	360	1250-АСП 1350-АБП
Модуль упругости, МПа	200000	56000-АСП 72000-АБП
Относительное удлинения,%	25	2,2
Коэффициент линейного расширения	13-15	9-12
Плотность	7	1,9
Коррозийная стойкость	Подвержен коррозии	Нержавеющий металл
Теплопроводность	Теплопроводна	Нетеплопровдна
Электропроводность	Электропроводна	Диэлектрик
Выпускаемые диаметры	6-80	3-40
Длина	Стержни длиной до 12 м	Любая длина
Экологичность	Экологична	Не выделяет вредных веществ
Долговечность	Строительные нормы	Прогнозируемая долговечность не менее 80 лет
Замена арматуры	6А-III 8A-III 12A-III 14A-III 16A-III	АСП-4 АСП-6 АСП-8 АСП-10 АСП-12
Области применения	По строительным нормам	Дорожное строительство изделий и др.

Хотите купить стеклопластиковую арматуру, по цене, которая вас бы устраивала так же, как и её свойства, звоните нам по бесплатному телефону 8 800 770-00-93. Опытные сотрудники компании выполнят расчет заказа и укажут его стоимость!

Арматура композитная или железная ???? какая лучше для фундамента: какую выбрать?

Расчет толщины сечения

Расчет поперечных и вертикальных прутков и продольных отличается из-за общей нагрузки и требований СНИП.

Поперечная и вертикальная

Для дополнительных поперечных и вертикальных элементов диаметр выбирается в соответствии с проектом. При этом учитываются его размеры, количество длинных арматурин, шаг установки поперечин. Обычно используют гладкие прутья 6-8 мм.

Диаметр поперечной и вертикальной арматуры необходимо подбирать согласно таблице:

Условия использования арматуры	Минимальный диаметр арматуры в мм
Вертикальная при высоте поперечного сечения ленты менее 80 см	6
Вертикальная при высоте ленты более 80 см	8
Поперечная арматура	6

Какой диаметр арматуры нужен для одноэтажного дома? В строительстве 1- 2-этажных частных домов обычно для вертикального и поперечного армирования используются 8-миллиметровые прутья.

Продольная

Для расчета нужно узнать площадь сечения фундамента. Для этого его высоту нужно умножить на ширину. Площадь сечения арматуры должна быть 0,1% от площади сечения основания, значит нужно полученный результат умножить на 0,1%.

Кроме этого необходимо понимать, по какой схеме будет собираться каркас. Обычно он состоит из 4 или 6 продольных прутков.

Рассмотрим примеры расчетов:

Пример

Рассчитаем толщину прутков для ленты с высотой 80 и шириной 30 см. Площадь сечения такой ленты составляет 2400 квадратных см, а 0,1% от него – 2,4 см.

80 * 30 * 0.1% = 2,4 см²

Допустим, планируется использовать арматуру 12 мм. Берем ее площадь поперечного сечения — 1,13 квадратных сантиметров.

Эту площадь можно посмотреть ниже в таблице или высчитать по формуле площади окружности: S=πR², где:

R – радиус,
π – 3,14.

Считаем сколько прутьев (ниток) должно быть в каркасе. Делим 2,4 на 1,13, получаем 2 с остатком, значит, чтобы выполнить требования, нужно применить каркас с тремя нитями. 1,13 * 3 = 3,39 см², а это больше чем 2,4 см², которые рекомендует СНиП.

3 нитки на два пояса поделить не получится, а нагрузка будет значительной и с той и с другой стороны. Для обеспечения ему устойчивости нужно минимум 4 прута. При использовании 4 прутьев в 12 мм получается слишком большой запас прочности.

Оптимальный вариант здесь – взять 4 прута меньшего диаметра. Вполне будет достаточно 10-миллиметровой арматуры. Его площадь — 0,79 см². Если умножить на 4, получится 3,16 см², этого параметра будет достаточно.

Чтобы не высчитывать диаметр каждого прута по площади сечения, можно воспользоваться специальной таблицей:

Номинальный диаметр, мм	Площадь поперечного сечения, см2	Масса 1 метра, теоретическая, кг
6	0,283	0,222
7	0,385	0,302
8	0,503	0,395
10	0,785	0,617
12	1,131	0,888
14	1,54	1,21
16	2,01	1,58
18	2,64	2
20	3,14	2,47
22	3,80	2,98
25	4,91	3,85
28	6,16	4,83
32	8,04	6,31
36	10,18	7,99
40	12,58	9,87
45	15,90	12,48

Подобные расчёты очень удобно производить в Microsoft Excel.

Виды и марки арматуры

Для укрепления основания сегодня используются две основные разновидности арматуры:

Металлическая. Представляет собой стальные прутья различного диаметра с гладким или ребристым винтовым сечением для улучшения качественных характеристик.

Стеклопластиковая. Современная композитная арматура, изготовленная из стекловолокна, базальта или кевлара. Для оптимального сцепления с бетоном на прутьях формируется ребристая поверхность, которая покрывается песком.

Таблица замены арматур

Равнопрочностная замена стальной арматуры — подбор композитной арматуры такого диаметра, при котором ее прочность будет соответствовать прочности металлической арматуры заданного диаметра.

Соответствие диаметров при равнопрочностной замене арматур
	Диаметр, мм
Стальная арматура класса	6	8	10	12	14	16	18	20	22	25
Композитная арматура	4	4	6	8	10	12	14	16	18	20

Количество метров арматуры в 1 тонне

Сравнение количества метров в одной арматуры
	Диаметр, мм
	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	25
Стальная арматура класса	—	4505	2532	1621	1126	826	633	500	405	336	260

Количество килограммов арматуры в 1 километре

Сравнение количества метров в одной арматуры
	Диаметр, мм
	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	25
Стальная арматура класса	—	220	400	620	890	1210	1580	2000	2470	2980	3850
Композитная арматура	20	36	80	140	230	320	440	580	730	—	—

Каждый класс арматуры промаркирован, как в старом (А-I), так и новом (А240) формате.

Класс арматурной стали	Диаметр профиля, мм	Временное сопротивление разрыву, Мпа	Относительное удлинение после разрыва, %	Марка стали
А-I (А240)	6-40	373	25	Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп
А-II (А300)	10-40, 40-80	490	19	Ст5сп, Ст5пс, 18Г2С
Ас-II (Ас300)	10-32, (36-40)	441	25	10ГТ
А-III (А400)	6-22, 6-40	590	14	35ГС,25Г2С, 32Г2Рпс
А-IV (А600)	(6-8), 10-18, 10-32, (36-40)	883	6	80С, 20ХГ2Ц
А-V (А800)	(6-8), 10-32, (36-40)	1030	7	23ХГ2Ц

Кроме того, существуют дополнительные обозначения. Например, буква «З» – данная арматура не подвержена коррозии, «С» – прутья легко свариваются, «Т» – материал был подвергнут упрочнению посредством термомеханического метода.

Расчет для свайного основания

Свайные фундаменты представляют собой погруженные в грунт опоры (цельнометаллические или буронабивные), передающие нагрузку от здания и соединенные по верху стальным, железобетонным или деревянным ростверком.

Cвайный фундаментИсточник stroyfora.ru

Буронабивные основания применяют в частном строительстве:

при возведении каркасных или деревянных зданий с небольшой массой;
при слабых грунтах, где другие основания выполнить невозможно — торфяники, болота, сильнопучинистые влажные почвы;
в условиях сложного рельефа — на холмистой, овражистой местности.

Недостаток, который приводит к удорожанию стоимости строительства, — холодный цоколь и невозможность устройства пола по грунту. Преимущество — отсутствие земляных работ. Сваи вкручивают специальной буровой установкой или пробуривают отверстия в земле с последующим монтажом опалубки, армированием и бетонированием. При несыпучих грунтах раствор заливают сразу в скважину.

Армирование свайного фундаментаИсточник housepic.ru

Схема расчета арматуры для свайного буронабивного фундамента.

Определяют тип грунта с помощью ГОСТа «Грунты. Классификация».
Рассчитывают постоянную и временную нагрузку (СНиП «Нагрузки и воздействия»).
Из ВСН 5-71 выбирают несущую способность грунта в зависимости от его структуры.
По имеющимся сведениям находят нагрузку R на погонный метр ростверка, разделив суммарную массу на периметр здания.
Определяют несущую способность сваи по формуле Р = (0,7х R х S)+(U х0.8 х fin х li), где

R — несущая способность грунта,
S — площадь конечного участка опоры,
U — периметр сечения сваи,
fin — сопротивление грунта, определяемое по таблице ВСН 5-71,
li — высота слоя почвы, оказывающей сопротивление боковой поверхности сваи.

Расстояние между опорами определяют по формуле I = P/Q, где Р — несущая способность сваи (п.5), R — погонная нагрузка на ростверк (п. 4). Количество свай определяют исходя из расчетного расстояния между опорами и размеров строения. Армируют конструкции вертикальным каркасом из не менее, чем 4 стержней диаметром от 10 до 16 мм с горизонтальной обвязкой из гладкой арматуры Ø 6-8 мм. По верху оставляют выпуски длиной 25-30 см.

Ростверк рассчитывают как конструкцию, аналогичную ленточному фундаменту.

Соединение арматуры

Самым простым способом укладки арматуры в фундамент является сварка прутьев в единый каркас. Такая технология отличается еще и высокой скоростью. Вот только при этом большая часть изделий (прутьев) в месте сваривания теряет свои прочностные характеристики. Поэтому мы не рекомендуем использовать сварку, а приберечь ее для совершенно безвыходных ситуаций.

Другим вариантом конструирования каркаса является так называемая вязка арматуры, которая подразумевает создание проволочного соединения в каждом пересечении прутьев «скелета». Данный процесс является достаточно трудоемким, но если приноровиться, то на каждое соединение будет уходить не более 5 секунд. Последовательность вязки изображена на рисунке ниже. Все вышеперечисленные операции лучше проводить перед тем, как установлена опалубка для фундамента.

Обращаем ваше внимание на то, что более 50% всех пересечений прутов должны быть соединены. Это относится, в первую очередь, к угловым частям каркаса

Армирование при возведении ленточного фундамента

Одной из особенностей ленточного монолитного основания является то, что независимо от высоты при его возведении достаточно использовать всего 2 пояса армирования – сверху и снизу. Чаще всего используют прутья диаметром от 10 до 14 мм – в зависимости от нагрузки. Чем капитальнее постройка, тем больше диаметр используемой арматуры. Каждый армирующий пояс состоит из пары продольных ребристых прутов. Они соединяются посредством перемычек из гладких прутков диаметром 8 мм, расположенных с шагом 500 мм в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Важно, чтобы все элементы каркаса впоследствии были покрыты защитным слоем бетона – около 50 мм (для защиты от влаги). Одновременно нужно учитывать то, что продольно ориентированные пруты должны быть максимально приближены к горизонтальной поверхности, играя роль балки, устойчивой к растяжению

Именно по этой причине не стоит увлекаться и прятать пояс глубже. Вертикальные конструктивные элементы устанавливают на предварительно подготовленное основание – 30 мм подбетонку. Это позволяет уберечь металл от коррозии, которая неминуемо возникла бы в иных ситуациях из-за воздействия влаги.

Также отметим необходимость изгиба арматуры на углах – не стоит укладывать пруты под прямым углом друг к другу, т.к. это сведет на нет все старания по созданию монолитной конструкции. Пруты размещают внахлест не менее 250 мм и прочно связывают проволокой.

Армирование при строительстве буронабивного основания

При усилении буронабивной сваи используют ребристые пруты диаметром 10 мм. Их может быть 2, 3, 4 или более – в зависимости от диаметра используемой формы заливки. Как правило, в качестве последней используют асбестоцементную трубу диаметром 200 мм. В этом случае можно использовать 3-4 прута арматуры, соединенные вместе так, как показано на рисунке ниже

Важно, чтобы элементы каркаса отступали от трубы не менее чем на 50 мм. Так же нужно учитывать, чтобы нижние части прутов упирались на заранее подготовленную бетонную площадку (см

статью о буронабивных сваях).

Армирование для плитного фундамента

Плитное основание является одним из самых надежных и при этом самых дорогостоящих решений. Цена арматуры для фундамента, которую придется заплатить за нулевой цикл при таком строительстве, может составить до 20% от общей стоимости постройки.

При возведении такого типа основания используют ребристую арматуру диаметром 10-16 мм в зависимости от пучинистости грунта и величины нагрузки от будущего здания. Чем сложнее условия строительства, тем больше диаметр стальных прутьев. Укладывается два пояса, причем таким образом, чтобы образовались клетки со сторонами 200 мм.

Виды арматуры

Это изделие различается по нескольким параметрам. К ним относятся:

материал изготовления;
профиль;
степень прочности.

Материалы

На сегодняшний день наиболее распространена стальная арматура, но на смену ей стала приходить композитная. Стальная пока лидирует, так как она проверена временем, но у композитной есть ряд преимуществ. Как распределится рынок арматуры в дальнейшем, покажет время.

Стальная арматура производится методом металлопроката. Расплавленный металл разливают в изложницы, а полученные слитки нагревают, обжимают и прокатывают.

Пруты арматуры стандартизированы и имеют маркировку по ГОСТ 5781-82

Главной характеристикой этой продукции является усилие на растягивание, которое она способна выдержать.

2. Непрофилированная арматура (гладкая) имеет только класс А1, все остальные классы принадлежат рифленой продукции.

Рифление выполнено в виде двух продольных ребер и поперечных периодических выступов. Их расположение может быть различным: кольцевым, серповидным и смешанным. Два последних типа имеют самые высокие пределы прочности на разрыв.

На изготовление такой арматуры идут углеродистые и легированные стали, несколько отличающиеся по своим свойствам. Также имеют значение особенности технологического процесса, поэтому в сертификате на изделия могут стоять следующие буквы:

«к» — устойчивость к коррозии;
«в» — упрочнение производилось вытяжкой;
«с» — пригодная к сварке;
«т» — прошла термическую обработку.

Диаметр стальной арматуры тоже стандартизирован. Выпускаются пруты диаметром 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36 и 40 мм. Диаметром 6 мм выпускается как стержневая, так и проволочная (гладкая) арматура, более 8 мм — только стержневая профилированная.

Тонкие изделия (до 6 мм) выпускают в мотках, а более крупные диаметры — в виде стержней. Чаще всего в продаже можно встретить шестиметровые пруты. На заводе их выпускают по 12 метров, но водители не любят их перевозить: за провоз негабаритного груза надо платить.

Помимо стержней в качестве арматуры могут использоваться стальные тросы — одинарные и двойные. На них тоже существует ГОСТ, но в домостроении они практически не применяются ввиду своей цены и назначения А вот в строительстве мостов и других сооружений, испытывающих постоянные динамические нагрузки, они заняли свое прочное место.

Неоспоримыми плюсами стальных изделий являются проверенность временем и низкая цена. Главный минус — коррозия, которой подвержена сталь.

Композитная арматура по прочности не уступает стальной, а вот к коррозии более устойчива, и имеет в 8 раз меньший удельный вес. В зависимости от применяемого материала различают стеклопластиковую, базальтопластиковую и углепластиковую арматуру.

Несмотря на более высокие лабораторные показатели прочности, композитные изделия пока что плохо показывают себя в условиях постоянных нагрузок. По поведению такой арматуры в реальных условиях даже были разработаны поправочные коэффициенты для расчетов, зависящие от характера нагрузок и внешних условий. Их нельзя игнорировать в таких конструкциях, как столбы и перекрытия. Диапазон поправок находится в пределах от 0,3 до 1, и именно на эти числа нужно умножать заявленную прочность, если конструкция будет эксплуатироваться в указанных режимах.

Что касается заявленной прочности, то композитная АСП-12 соответствует стальному изделию диаметром 16 мм.

Вес: сравнительная таблица

Это важный параметр. Многие покупатели, посчитав длину и диаметр нужной арматуры под фундамент, не задумываются над тем, как ее привезти и где разместить. Ситуация усугубляется тем, что часть торговых предприятий продают ее в метрах, а часть — на вес. Чтобы было проще сориентироваться, данные о весе можно сравнить по таблице:

диаметр	сталь, вес, кг/пм	сталь, количество в тонне, м/т	композит, вес, кг/пм	композит, количество в тонне, м/т
4			0.02	50000
6	0,222	4505	0.05	25000
7			0.07	16667
8	0,3946	2534	0. 08	12500
10	0,6165	1622	0.12	5000
12	0,88	1126	0,20	4348
14	1,208	827,5	0,26	3333
16	1,58	633,6	0,35	2857
18	1,99	500,6	0,46	2326
20	2,466	405,5	0,51	1667

Здесь приведены самые ходовые размеры арматуры. Из таблицы видно, что плотность композита действительно намного меньше таковой у стали.

Немного о технологии связки

Способы вязки арматуры для фундамента.

Любое строительство всегда хочется закончить как можно скорее. Для этого необходимо добиться того, чтобы производительность труда была максимальной. Это приводит в итоге к сокращению расходов и времени. Это касается и технологии вязки арматуры.

Для грамотного решения поставленной задачи необходимо правильное разделение труда, правильная техника монтажа, а также использование специализированного инструмента.

Длина перепуска зависит от многих факторов. Самый главный — это тип арматуры. Также имеет значение тип бетона, который используется при возведении ленточного фундамента. Средняя длина перехлеста составляет 25 сантиметров.

В том случае, если необходимо сделать вертикальную конструкцию, нужно воспользоваться специализированным оборудованием или подручными средствами.

Сколько нужно прутка

Разработав схему армирования ленточного фундамента, вы знаете, сколько продольных элементов вам необходимо. Они укладываются по всему периметру и под стенами. Длинна ленты будет длиной одного прутка для армирования. Умножив ее на количество ниток, получите необходимую длину рабочей арматуры. Затем к полученной цифре добавляете 20% — запас на стыки и «перехлесты». Вот столько в метрах вам и нужно будет рабочей арматуры.

Считаете по схеме сколько продольных ниток, потом высчитываете сколько необходимо конструктивного прутка

Теперь нужно посчитать количество конструктивной арматуры. Считаете, сколько поперечных перемычек должно быть: длину ленты делите на шаг установки (300 мм или 0,3 м, если следовать рекомендациям СНиПа). Затем подсчитываете, сколько уходит на изготовление одной перемычки (ширину арматурного каркаса складываете с высотой и удваиваете). Полученную цифру умножаете на количество перемычек. К результату добавляете тоже 20% (на соединения). Это будет количество конструктивной арматуры для армирования ленточного фундамента.

По похожему принципу считаете количество, которое необходимо для армирования подошвы. Сложив все вместе, вы узнаете, сколько арматуры нужно на фундамент.

Композитная арматура

Использование этой арматуры вызывает в околостроительных кругах ожесточённые споры, наподобие того, что вокруг пенопласта: очень красочные, с эмоциями и пеной у рта, с манипуляциями всякими не имеющими отношения к теме цифрами и характеристиками. Признаться, я даже стал рассматривать эту арматуру, как реальную рабочую арматуру для своего фундамента! Меня остановила проблема армирования углов. Мой фундамент весьма «ажурный», так сказать, с очень малым сечением. Честно говоря, он столь миниатюрен, что не вписывается в минимальные требования к бетонным фундаментам. Я это понимал, когда его проектировал, и по этой причине мне жизненно важно было сделать армирование максимально правильно. Это накладывает известные требования на армирование углов, и именно этот аргумент остановил меня на выборе именно железной арматуры. Впоследствии я решил изучить вопрос композитной арматуры более подробно в целях личного развития и хочу отметить, что очень рад тому, что забетонировал железо.

Вопреки многочисленным заявлениям о том, что на композитную арматуру не существует ГОСТов — это не так, ГОСТ на неё существует, и зарегистрирован он ещё в 2012 году! Это межгосударственный стандарт, ГОСТ 21938-2011. И даже более того, композитная арматура внесена в свод правил СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» в виде отдельного приложения Л, в котором подробно описано как считать и что считать при проектировании бетонных элементов с использованием стеклопластиковой арматуры.

Композитная арматура — неметаллические стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных термореактивным или термопластичным полимерным связующим и отверждённых. Арматуру, изготовленную из стеклянных волокон, принято называть стеклокомпозитной (АСК), из базальтовых волокон — базальтокомпозитной (АБК), из углеродных волокон — углекомпозитной (АУК), и бывает ещё арамидокомпозитная (ААК) и комбинированная композитная арматура (АКК). В целом же, сокращённо принято называть композитную арматуру АКП. Для сцепления с бетоном на поверхности АКП в процессе производства формируются специальные рёбра или наносится покрытие из песка. Номинальные диаметры выпускаемой арматуры бывают от 4 до 32 мм.

Благодаря своим физико-механическим характеристикам и техническим преимуществам композитная арматура может являться альтернативой арматуре из металла, как обладающую сочетанием высокой прочности и коррозионной стойкости. Самым существенным и признаваемым всеми отличием этого материала от стальной арматуры является более высокая стойкость к агрессивным средам. Этот факт позволяет широко использовать такую арматуру в дорожном строительстве для сооружения насыпей, устройства покрытий, для элементов дорог, которые подвергаются агрессивному воздействию противогололёдных реагентов, для смешанных элементов дорог. Также применяется для укрепления откосов дорог, для берегоукрепления, в общем везде, где возможен контакт арматуры с водой или иной агрессивной средой. Ещё одно неоспоримое достоинство такой арматуры — ещё малый вес! Она почти в 10 раз легче железной. Следующий козырь в рукаве этого материала — действительно высокий предел прочности при растяжении! Эта арматура может быть до 5 раз более прочная при растяжении, чем металл.

Для вдохновения предлагаю посмотреть вот такой видео-ролик

Стеклопластиковая арматура имеет и свои недостатки, которые порой выглядят, как преимущества:

Так, несмотря на высокую огнестойкость базальтового волокна, жаропрочность базальтовой арматуры не отличается от стеклопластиковой, так как полимерная матрица не в состоянии выдержать температуры выше 160°С. Следовательно, и бетонное изделие обладает меньшей огнестойкостью.
Ещё один минус, который обычно вписывается в плюсы, композитную арматуру нельзя согнуть с малым радиусом изгиба, а значит есть проблема при армировании углов и примыканий ленты фундаментов. Правда, промышленность выпускает отдельно согнутые элементы из стеклопластиковой арматуры (фото слева), однако это увеличивает номенклатуру требуемых на стройке материалов вдвое. И далеко не везде их можно купить. У нас в Бресте я таких ни разу не видел.
Опять свойство, которое вписывается обычно в плюсы, — электропроводность. Производители рекламируют это свойство, как «радиопрозрачность». Эм, ну по-моему, особенно для фундаментов, эта радиопрозрачность нужна разве что кротам. Это свойство вообще для частного застройщика не имеет никакого смысла. Хотя в случае с металлической арматурой можно делать выпуски арматуры из бетона например, для перевязки с другими ж/б конструкциями (плитами перекрытия). Выпуски можно сваривать электросваркой. Железную арматуру можно использовать для электропрогрева застывающего бетона (при наличии специального оборудования), можно использовать её свойства электропроводности для заземления. В производстве преднапряжённых ЖБИ железная арматура подвергается электротермическому напряжению — с композитной так уже не получится. Ну и сюда же можно отнести тот факт, что надёжно соединить сваркой возможно лишь металлическую арматуру.
При более высокой прочности АКП основным её плюсом считают возможность использования более тонкой арматуры. Это сомнительный плюс, поскольку с уменьшением диаметра прута пропорционально уменьшается и площадь контакта между арматурой и бетоном, уменьшая предел прочности сцепления с бетоном.

Некоторые утверждают, что в связи с тем, что АКП не боится коррозии, можно смело уменьшать толщину защитного слоя бетона и не бояться, что она где-то случайно выйдет из бетона. Но суть защитного слоя не только в защите арматуры, но и в том, чтобы максимально плотно обхватить арматуру бетоном. Если тонкий защитный слой бетона просто отколется или выкрошится, чем будет удерживаться довольно гладкая композитная арматура в толще бетона? Порой строители специально за несколько дней до укладки железной арматуры поливают её водой для того, чтобы придать шершавость, чем увеличивают и без того в два-три раза больший (по сравнению с АКП) предел прочности сцепления с бетоном.

Теперь давайте сравним АКП и стальную арматуру по цифрам:

Предел прочности при растяжении стальной арматуры класса А III …. 360 МПа;
Предел прочности при растяжении АКП из стекловолокна (АСК)………… от 800 до 1300 МПа;
Модуль упругости стальной арматуры ………………. 200 ГПа;
Модуль упругости АКП ……………………………………………. 50 ГПа;

Существует обновлённый свод правил по железобетону, в который уже включена композитная арматура. Там есть очень интересный пункт Л.2.3, в котором говорится: «При расчёте конструкций по предельным состояниям первой группы на действие постоянных и длительных нагрузок расчётное значение сопротивления растяжению АКП следует умножать на коэффициент γf снижения сопротивления растяжению, принимаемый для АСК γf=0,3; для АБК, ААК и АКК γf=0,4; для АУК γf=0,6. Это значит, что если мы планируем балку нагружать долговременной нагрузкой (например, опереть стену дома), то расчётное сопротивление стеклокомпозитной арматуры следует принимать не 800 МПа, а 800*0,3 = 240 МПа! Т. е. сопротивление растяжению АСК оказывается почти в двое хуже стальной арматуры класса А500!

Для достоверности, я приведу выдержку из соответствующего документа:

Итак, что мы можем получить из приведённого фрагмента, если проектируем конструкцию длительного использования в условиях эксплуатации — на открытом воздухе?

Самая популярная композитная арматура — стеклопластиковая — она же самая «слабая» из всех видов композитных арматур — имеет предел прочности 800 МПа. При длительной нагрузке её расчётный предел составит:

Rf = 800 * 0.3 = 240 МПа.

При использовании конструкции на открытом воздухе расчётный предел прочности ещё уменьшается:

Rf = 240 * 0.7 = 168 МПа.

Ну и делим полученную величину на коэффициент надёжности по материалу, принимаемый по расчёту по первой группе предельных состояний 1.5:

Rf = 168 / 1.5 = 112 МПа.

Расчетное значение сопротивления АКП сжатию, согласно документу, следует принимать равным нулю. Т.е. в сжатой зоне бетона композитную арматуру вообще не применяют в принципе.

Для сравнения, стальная арматура класса А500 имеет расчётное сопротивление растяжению 435 МПа. Конечно, коэффициент надёжности по арматуре тоже следует учитывать. Он равен 1,15.

Rs = 435 / 1.15 = 378 МПа.

Других понижающих коэффициентов для стальной арматуры не применяется.

Расчетное значение сопротивления сжатию стальной арматуры ровно такое-же: Rsc = 435 / 1,15 = 378 МПа.

На основании этого документа и простейших расчётов можно составить таблицу равнопрочной замены для условий эксплуатации на открытом воздухе при длительной нагрузке.

Равнопрочная замена стальной и композитной арматуры

Но неужели все производители настолько нагло врут?!

Да! Именно так и есть!

Но что же они все пишут в своих таблицах тогда? А пишут они все характеристики, приведённые для кратковременной нагрузки, без учёта коэффициента запаса и без учёта условий эксплуатации! Это, юридически, обманом-то и не назовёшь — инженеры-строители знают обо всех этих коэффициентах и пока предпочитают экономить на чём угодно, но не на замене стальной арматуры на пластиковую. А то, что частный застройщик не знает правил расчёта и не знаком не то, что с «приложением Л», а и с самим СП 63.13330.2012 — так это проблема застройщика, а не маркетологов!

Так же можем вычислить относительное удлинение материала при предельной нагрузке. Формула для расчёта представлена в ГОСТе (стр.20, пункт Б.5.3): ɛ=Р/(Еf·A)

где Р — разрушающая нагрузка, Н: P= σ·А, (в свою очередь где σ — предел прочности, МПа; А — площадь сечения)

Ef — модуль упругости, МПа;

А — площадь сечения арматуры.

Подставив и сократив формулу получим, что относительное удлинение ɛ= предел прочности / модуль упругости.

Относительное удлинение для стали ….. 0,18%;
Относительное удлинение для АКП …….. 1,6 — 2,6%.

Что значат эти цифры на практике? Они означают, что композитная арматура более чем в 10 раз деформативнее, чем стальная. Если мы, к примеру, изготовим две бетонных перемычки длиной 1 метр, заармируем в растянутой зоне одну из них стальной арматурой, а вторую композитной и приложим предельную нагрузку, то результат по прогибу будет составлять для стали 1м·0,18%=1,8мм, для АКП от 16 до 26мм.

Я включил композитную арматуру в сортамент армирования в калькуляторе расчёта железобетонных балок, и вы можете легко посравнивать этот материал с классической железной арматурой. Расчёт едва-ли можно назвать удовлетворительным по сравнению со стальной арматурой!!!

По прочности композитная арматура превосходит стальную только при кратковременных нагрузках, но вот по деформациям она совершенно не годится для армирования растяжённых областей бетона, поскольку бетон просто раскрошится задолго до того, как композитная арматура дойдёт до своего предельного расчётного состояния.

Всё это очень хорошо и наглядно рассказано в видеоролике Антона Вебера ниже:

Вывод у меня получается такой. Я не буду заносить композитную арматуру в «чёрный список» стройматериалов, но применять её следует с очень чётким представлением её возможностей и ограничений. Подвязывать огурцы, помидоры, делать теплицы… Шучю! Но в плиты перекрытии, ригели, какие-либо несущие балки я не рекомендую её закладывать в качестве рабочей арматуры. В колоннах её использовать нельзя категорически. В качестве конструктивной — это сколь угодно. Порой армирование вообще бывает второстепенным. Например, при заливке большого по сечению бетонного монолитного фундамента, где прочности самого бетона едва ли не хватает для постройки на нём нетяжёлого дома. Армирование фундаментов по принципу плавающей монолитной плиты тоже вполне допустимо этой арматурой. А вот ростверк фундамента по технологии ТИСЭ лучше армировать железной арматурой.

Не бывает совсем уж плохих материалов, как не бывает и идеальных! Для каждого материала есть своя сфера применения, и именно там материал и будет хорош. Не нужно ожидать, что если из АКП получается хорошая теплица, то и в бетонной плите тоже будет всё отлично. На данный момент композитная арматура не заменяет стальную, и даже не приближается к этому. Но композитная арматура создаёт новый сегмент рынка, в котором стальная арматура может уступать композиту. К частному домостроению этот сегмент, правда, отношение не имеет.

P.S.: Я не смог найти в интернете фотографии, где бы было зафиксировано какое-либо разрушение бетона с композитной арматурой. Возможно, что эта арматура действительно так хороша, как её рекламируют. Но и возможно, что здравый смысл не позволил ещё людям использовать её там, где есть достаточная нагрузка. Время покажет.

Стеклопластиковая арматура для фундамента: отзывы специалистов

Жесткие требования конкуренции в сфере современного строительства заставляют искать способы снижения затрат, в том числе с применением новых материалов. Появляются новые рецептуры строительного камня, специальные марки бетонов, фундаментных составов, облицовочных и теплоизоляционных материалов. Параллельно на рынке, ранее традиционном для металлической арматуры и специальных конструкций, активно пытаются завоевать «место под солнцем» производители разнообразных композитных изделий. Чаще всего это неметаллические силовые элементы и стеклопластиковая арматура.

Почему появилась стеклопластиковая арматура на строительном рынке

Композитные материалы, и стеклопластиковая арматура в том числе, изготавливаются по относительно несложному технологическому принципу пропитки стеклянных или базальтовых волокон эпоксидной или полиэфирной смолой матрицы. Далее пучок формируется на станке в калиброванный по диаметру пруток композитной арматуры, и запекается при невысокой температуре в специальной сушильной печи. Обычно длина одного отрезка арматуры не превышает 100 м.

Стеклопластиковая арматура не требует работы сложного и дорогостоящего оборудования, поэтому сами производственные затраты относительно невелики, большую часть себестоимости составляет цена смолы для матрицы и стекловолоконного жгута. И все же, если сравнить стоимость стеклопластикового и стального прутка одного диаметра, металлическая арматура имеет складскую цену на 10-20% меньше, а это очень большая разница для такой сферы, как строительство.

Тем не менее стеклопластиковый материал достаточно сильно потеснил металлопрокатную продукцию, не в последнюю очередь из-за ряда специфических свойств, но главными факторами стали немного иные причины:

Стеклопластиковая арматура все чаще стала применяться в частном малоэтажном строительстве. Она более доступна в работе, ее легче и намного дешевле перевозить, хранить, резать. Ее не нужно спрямлять и выравнивать перед использованием, как в случае со стальным вариантом. Материал можно купить целой бухтой и нарезать кусками самой нестандартной длины. Тогда как на стальной стандартный 11-метровый пруток пришлось бы немало отходов, если ваш фундамент, например, имеет армирование длиной 8 м;
Доступность оборудования для производства армирующего жгута позволило многим небольшим предприятиям — производителям стройматериалов наладить поточное производство стеклопластиковой арматуры в самых различных вариантах исполнения поверхности прутка. Огромное количество предложений, грамотная политика продаж и скрытая реклама позволяют диверсифицировать рынок;
Стремление подрядчиков сэкономить в строительных работах на более выгодном материале для армирования, для чего зачастую используется формальный, «слепой» перерасчет по прочности эквивалента композитных материалов и стальной арматуры.

Отзывы специалистов, преимущества и недостатки композитной нитки

При желании можно отыскать самые сложные выкладки и довольно простые примитивные доводы о том, чем хороша или плоха стеклопластиковая арматура. Как правило, серьезные исследования и отзывы специалистов в большинстве случаев не дают конкретных рекомендаций, по сути, «горячей» проблемы фундамента, во многом возможности арматуры на стеклопластиковой основе приходится оценивать на собственный страх и риск.

Внимание! Среди многочисленных отзывов специалистов практически нет настоящих профессиональных экспертов в области строительной механики композиционных материалов. Их мнение и отзывы, как правило, отражаются в оценках и заказных расчетах конкретных строительных проектов, стоят немалых денег и на суд общественности не выносятся.

Профессиональным можно назвать подход, если отзывы тех или иных экспертов оценивают конкретную ситуацию использования, например, стеклопластикового прутка в фундаменте дома с использованием практических результатов и анализом причин. В противном случае назвать такие отзывы специалистов можно в лучшем случае рекламой или антирекламой.

Использование стеклопластикового прутка в фундаменте

Применение арматурных сеток на основе стеклопластиковых силовых элементов началось с 60-х годов прошлого века. Кроме того, построено и находится в эксплуатации достаточно большое количество зданий и технологических сооружений из камня и бетона, в фундаменте и стенах которых использовано армирование на стеклопластиковой основе. Отзывы о состоянии построек с элементами стальной и стеклопластиковой арматуры и многолетнем опыте эксплуатации дадут больше, чем все теоретические выкладки «знатоков», вместе взятые.

Практически все, кто снимает ролики или выкладывает свое мнение о недостатках стеклопластиковой арматуры, — это или менеджеры продаж конкурирующего стального проката, или дилетанты, путающие причины и следствия основных принципов прочности и жесткости конструкций. В большей части такие рассуждения о недостатках стеклопластиковой арматуры сопровождаются формулами и данными о прочности стали и композита. Но внятных причин или процессов, по которым нельзя использовать стеклопластиковое армирование, нет. Если человек, взявшийся комментировать преимущества и недостатки стеклопластикового армирования, не продемонстрировал на практике фрагмент разрушенного бетона или куска фундамента со стеклопластиковой арматурой, все его рассуждения остаются фантазиями на произвольную тему.

Стеклопластиковая арматура используется в строительстве, машиностроении, в специальных проектах уже более 40 лет. Если для вас этот вопрос принципиален, обратитесь в старые советские учебники 70-х годов прошлого века, журналы по строительной тематике, в этих источниках раскрывается физика и механика процессов разрушения фундамента, приводятся многочисленные примеры ошибок.

Обладая высокой удельной прочностью, стеклопластиковое армирование может прекрасно работать в самых сложных условиях, но при этом оно обладает рядом недостатков, ограничивающих его применение в строительстве:

Стеклопластиковая природа композитной арматуры обладает практически нулевой пластичностью материала. Говоря человеческим языком, каркас для высоконагруженного фундамента или стен из такого прутка не сможет пластично подстраиваться под перераспределение нагрузки в нагруженном бетонном камне. В результате в отдельных местах фундамент здания будет испытывать перегрузку, что может вызвать появление трещин;
Стеклопластиковая основа очень хорошо воспринимает растягивающие осевые нагрузки, намного хуже сжимающие нагрузки, и катастрофически плохо переносит усилие сдвига. Это значит, что любое поперечное срезающее усилие, которых немало в «свежих» фундаментах из-за осадочных процессов, приведет к разрушению целостности арматуры;
К сожалению, в течение времени, пока бетон фундамента набирает прочность, каркас из стеклопластика ведет себя несколько иначе, и именно на этом этапе, поэтому каждый конкретный случай в компоновке арматуры требует очень внимательного и аккуратного анализа.

Поэтому в тех узлах, где допустима замена металла композитным материалом, вместо традиционного восьмимиллиметрового прутка, вполне может быть использован шестимиллиметровый жгут стеклопластиковой арматуры. Мало кто знает, но сегодня уже на потоке производятся строительные плиты из напряженного бетона со стеклопластиковой арматурой. Но в производстве такой материал стоит значительно дороже, поэтому практически 90% ассортимента, в том числе для фундамента, являются заказными изделиями.

Варианты применения стеклоарматуры

Неоспоримым преимуществом стальной арматуры является очень хорошо прогнозируемое поведение металла в самых сложных условиях нагрузки. Все существующие небоскребы и высотные здания строятся только на стальной арматуре, мало того, у большинства таких «чудес света» существует внутренний металлический каркас.

Стеклоарматура для высотных зданий или высоконагруженных фундаментов не подойдет. Строительная механика фундаментов – это, вообще, целая наука, прежде всего из-за сложного взаимодействия отдельных частей фундамента с грунтом, со стенами всей конструкции.

В существующей модели фундамента самыми проблемными являются угловые зоны, где арматура испытывает растягивающие, изгибающие и перерезывающие нагрузки. В этих местах не каждая даже стальная арматура в состоянии обеспечить жесткую связку угловых блоков. Металлической арматуре в блоке фундамента это удается только благодаря сочетанию высокой пластичности и упругости. Стеклопластиковое армирование в этих узлах фундамента применять нельзя. Несмотря на высокую продольную прочность, она не сможет противостоять скручиванию и перерезыванию в угловой точке контакта фундамента.

Прочности и пластичности стеклопластиковой арматуры будет достаточно для постройки фундамента и подвала одно или двухэтажного дома. Но при условии, что в угловых стыках фундамента для сращивания арматуры под прямым углом будут использованы специальные муфты. Тем более стеклопластик легко и просто использовать для простого ленточного фундамента 70-90 см глубиной.

Удачным считается применение стеклопластиковой арматуры в паре со специальными марками бетона для фундамента. Зачастую в условиях применения в фундаменте специальных добавок, усиливающих морозостойкость или водонепроницаемость, стальная арматура начинает интенсивно коррозировать. Особенно в фундаментах на грунтах с высоким содержанием солей или в непосредственной близости к трансформаторным подстанциям.

В стенах малоэтажных домов, особенно из газобетонного блока, арболитового камня и любого другого стройматериала, обладающего невысокой жесткостью и контактной прочностью, использование стеклопластикового армирования даже приветствуется. С ним намного проще и легче работать, чем со стальным прутком.

Кроме того, композитная арматура просто идеально подойдет для крепления наружного утеплителя или кладки облицовочного кирпича, там, где требуется или оцинковка, или нержавейка. И, тем более стоит использовать тонкую стеклянную нитку для работ на цокольных блоках фундамента.

Заключение

Еще одна проблема, характерная для российской действительности, о которой обязательно стоит упомянуть. Это низкое качество самой стеклопластиковой арматуры отечественного производителя. Практически каждая бухта с арматурой имеет дефекты излома.

Металлический пруток при складировании и транспортировке может быть украден или по-варварски выгружен в неудобном месте вдалеке от фундамента. Но в любом случае его качество не пострадает. Стеклопластиковую нитку можно легко повредить при транспортировке и даже не заметить этого. В фундамент такую арматуру закладывать точно нельзя.

Стоит ли доверять композитной арматуре

Композитная арматура – сравнительно молодой в строительстве материал, который, несмотря на свой возраст, успел себя положительно зарекомендовать среди сообщества строителей, и прочно обосноваться на стройплощадке, потеснив стальную арматуру. Это – материал, состоящий из нескольких компонентов. Точнее, основных компонентов два:

Волокна, которые несут основную нагрузку, и непрерывно тянутся по всей длине арматурного стержня. Объем волокон должен быть не менее 75% от массы арматуры.
Связующее на основе термореактивных смол, благодаря которому компоненты соединяются в единое целое.

Диаметр арматуры, согласно нормативному документу ГОСТ 31938-2012, устанавливается и используется следующий: 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28 и 32 мм. Из них диаметры от 4 до 8 производятся и продаются в скрученном виде (мотках, барабанах), что облегчает транспортировку. Остальные диаметры производятся и продаются в прутках со стандартной длиной 6 – 12 метров.

Состав композитной арматуры бывает различный, и, в зависимости от компонентов, меняются свойства и себестоимость готового продукта.

Какая бывает композитная арматура

Классификация композитной арматуры в соответствии с составом волокон, несущих основную нагрузку, следующая:

стеклопластиковая,
базальтокомпозитная;
углекомпозитная,
арамидокомпозитная
комбинированная композитная арматура.

В последнем варианте разные волокна комбинируются в необходимой пропорции. Оптимальный вариант по себестоимости и свойствам – стеклопластиковая арматура, которая и получила наибольшее распространение.

На наружную оболочку композитной арматуры следует обратить особое внимание. Арматура (и композитная, и стальная) должна как можно плотнее сцепляться с бетоном, который она армирует, и эту задачу решает именно наружная поверхность. У разных производителей оболочка выполнена по-разному; например, где-то – это выступы волокон определённой формы, где-то – песок крупной фракции, и т.д.

Как правильно укладывать композитную арматуру

Перед заливкой бетонного элемента композитная арматура укладывается и вяжется в виде пространственного жесткого каркаса. Если вы покупали материал в бухте, её необходимо размотать, разрезать на нужные отрезки, и дать ей распрямиться, отлежаться, вернуть свою форму.

Далее, мы определяем необходимую для нашего бетонного изделия форму каркаса (или прибегая к помощи квалифицированных специалистов, или ищем информацию в интернете, и на свой страх и риск сами проектируем каркас). К сожалению, каждое изделие индивидуально, и в каждом конкретном случае правильный путь – это работа инженера-проектировщика, который в составе проекта дома, опираясь на расчетные данные проекта дома, предоставит дополнительно формы и размеры каркасов для армирования, а также диаметр арматуры и другие данные.

В местах пересечения прутков их необходимо зафиксировать. Фиксация выполняется либо при помощи специальных кляймеров (это идеальный вариант), либо при помощи пластиковых хомутов, если нет специализированного крепежа. Угловые пересечения прутков могут быть выполнены либо в металле (комбинируем композитный каркас и стальную арматуру), либо могут быть изготовлены на заводе-производителе цельнолитым элементом.

Так, как композитный каркас имеет малую жесткость и меняет свои размеры от малейших наружных воздействий, его необходимо закрепить. Идеальным решением будет применение стальных элементов каркаса, которые увеличат жесткость и позволят композитным пруткам не сдвинуться с места при заливке бетоном.

Что лучше: композитная или стальная арматура?

Поскольку до композитной арматуры свойства бетона улучшали исключительно стальной арматурой, и композитная арматура является прямым конкурентом стальной, повсеместно принято сравнивать два вида арматуры. Сравним и мы.

Итак, плюсы композитной арматуры:

Вес. Композитная арматура весит меньше в несколько раз.
Форм-фактор. Композитная арматура малых диаметров продается в скрученном виде, в бухтах. Это позволяют транспортировать её на личном автомобиле.
Коррозия на стеклопластиковую арматуру не распространяет свое действие, в отличие от стальной арматуры. Вследствие этого, более долгая служба.
Не проводит электричество. Не создает препятствий для радиосигналов, для сигналов мобильных телефонов.
Более устойчива к воздействию отрицательных температур. Сталь при низких температурах становится более хрупкой, композитная арматура сохраняет свои свойства.
Теплопроводность небольшая, вследствие этого дом, армированный композитной арматурой, в холодное время года лучше сохраняет тепло.
Экологична. Не наносит вред природе при разложении.

Минусы композитной арматуры:

Не пластична. Арматуру в условиях строительства часто необходимо гнуть, с последующим сохранением формы. Стальная арматура гнется и фиксируется в согнутом положении, а вот стеклопластиковая, к сожалению, нет. После того, как термореактивная смола-связующее затвердеет, изменить её форму уже нельзя, можно только сломать. Но выход есть, и даже не один: можно заказать на заводе арматуру какой угодно формы или комбинировать стальную и композитную арматуру.
Не сваривается. К сожалению, сварка композитной арматуры невозможна. Но есть решение. Если есть такая необходимость, можно использовать композитную арматуру, оканчивающуюся металлическими прутками. Соединение композитной арматуры и металлического прутка выполняется на производстве.
Не стойка к тепловому разрушению. Держит температуру до 150-160 градусов по цельсию. То есть, при пожаре бетон, армированный стальной арматурой, при разрушении повиснет на прутках стали, а вот бетон с композитной арматурой после нагрева более 150 градусов, просто упадет.
Высокая вредность при резке. При обработке образуются мельчайшие острые частицы, загрязняющие рабочее пространство, угрожающие дыхательным путям, органам зрения.
Не жесткая. Модуль упругости композитной арматуры меньше аналогичного у стальной в 4 раза. То есть, для того, чтобы армированный композитной арматурой бетон работал на растяжение так же, как армированный стальной арматурой, нужно увеличить диаметр композитной арматуры. Пример: диаметр стальной арматуры 12 мм, диаметр композитной арматуры должен быть 24 мм. То есть, это не выгодно экономически, и для перекрытий лучше брать стальную арматуру.

Вывод: Композитная арматура имеет как плюсы, так и минусы. Поэтому, в каждом конкретном случае нужно тщательно взвесить все качества стальной и композитной арматуры, и выбрать для себя нужный вариант в соответствии с конкретной ситуацией.

Композитная арматура по сравнению со стандартной стальной арматурой

Q. Что будет со стекловолокном и арматурой из углеродного волокна? Я узнал об этих вариантах композитной арматуры недавно, когда услышал, как подрядчик упомянул, что их стоимость теперь сопоставима со стандартной стальной арматурой. Но я не уверен, насколько точен мой источник, и когда вы использовали бы один по сравнению с другим. И где в эту смесь вписалась бы арматура с эпоксидным покрытием?

A. Билл Палмер, редактор woc360.com , член Американского института бетона, лицензированный профессиональный инженер и бывший редактор Concrete Construction , отвечает: Арматура из углеродистой стали использовалась более века для обеспечения прочности на растяжение железобетона. Это дополнительное армирование необходимо, потому что прочность бетона на растяжение (при прямом растяжении) составляет всего от 10% до 15% от его прочности на сжатие, поэтому бетон под давлением 3000 фунтов на кв. имеет предел прочности на разрыв 60 000 фунтов на квадратный дюйм.

Когда к бетонной балке прикладывается нагрузка, она прогибается или изгибается, и бетон в верхней половине балки сжимается, а нижняя половина находится в растяжении. Сталь кладется около нижней части балки, и когда бетон, окружающий сталь, трескается — хотя вы можете даже не видеть трещины — сталь обеспечивает прочность на растяжение.

Обратной стороной стали в бетоне является то, что со временем влага, хлориды и кислород проникают в бетон и вызывают коррозию стали.Если коррозия достаточно сильная, бетонная балка (или колонна, или стена) теряет прочность на растяжение или изгиб. Это особенно проблема в конструкциях, которые подвергаются воздействию солей для защиты от обледенения, таких как мосты или гаражи.

Фото любезно предоставлено Owens Corning Infrastructure Solutions Арматура из стеклопластика доступна в различных размерах и марках для различных областей применения.

Здесь показана арматура из стекловолокна Pinkbar № 3 от Owens Corning, которая, по словам компании, хорошо подходит для плоских работ благодаря своей коррозионной стойкости, легкому весу и простоте обращения.Также доступна арматура из стекловолокна повышенной прочности для применения в строительстве.

Для защиты стали в 1970-х годах была изобретена арматура с эпоксидным покрытием. За последние 50 лет тысячи конструкций были построены с использованием стержней с эпоксидным покрытием, и эпоксидное покрытие в основном успешно продлевает время до начала коррозии. Однако недавно некоторые государственные департаменты транспорта запретили использование арматуры с эпоксидным покрытием после обнаружения многих мостов, на которых покрытие отслоилось от стали.Достаточно всего лишь небольшого скола эпоксидной смолы, чтобы коррозия началась и распространилась под покрытием.

Однако существуют альтернативные армирующие материалы для бетона, которые можно использовать для предотвращения коррозии. Арматура из нержавеющей стали доступна, но довольно дорога, есть и оцинкованная арматура. Другой выбор — материалы, которые сочетают в себе полимерную матрицу со стеклянными, углеродными или базальтовыми волокнами — армированный волокном полимер (FRP). Эти материалы не подвержены коррозии, они намного легче стали (примерно треть веса), они не нагреваются на солнце на рабочем месте, а их 4.В 5 раз сильнее по напряжению. Более новые стержни имеют песчаный внешний вид, поэтому они хорошо сцепляются с бетоном.

Однако арматурный стержень из стеклопластика имеет некоторые недостатки. Стекловолоконные стержни в настоящее время стоят от 15% до 25% больше, чем эквивалентная стальная арматура. Кроме того, есть несколько вопросов о том, насколько хорошо они работают в огне — тают ли они и теряют ли силу? И были некоторые опасения по поводу их длительного прогиба или ползучести. Вопросы проектирования привели к более консервативному (и, следовательно, более дорогому) проектированию конструкционных бетонных элементов. Еще одна проблема заключается в том, что прутки нельзя гнуть в поле, их нужно заказывать гнутыми на заводе.

Но для легкой арматуры в плоских конструкциях, где основной целью является предотвращение трещин, арматура из стеклопластика вполне конкурентоспособна даже с точки зрения затрат, а поскольку она намного легче стали, она снижает трудозатраты. А из-за его высокой прочности требуется меньше армирования. Несколько компаний сегодня производят арматуру из стеклопластика. Owens Corning продвигает свой Pinkbar из стекловолокна, а Neuvokas производит GatorBar в Мичигане.GatorBar состоит из стержней из стекловолокна и базальтового волокна.

Покупатель, тем не менее, будьте осторожны. Дуг Гремель из Owens Corning говорит: «Легко срезать углы, используя менее дорогостоящую полиэфирную смолу, которая не будет столь же прочной при щелочности бетона, как стержни, сделанные из более качественной винилэфирной смолы, которая, как было показано, выдерживает в тестах на ускоренное старение и в реальном времени. Есть много очень недорогих китайских производителей стекловолокна, которые продаются за небольшую часть его стоимости. Это немного похоже на проблему китайского гипсокартона, на мой взгляд, с некоторыми из этих плееров.

Что касается использования углеродного волокна в арматуре FRP, Гремель говорит: «Карбоновый стержень, на мой взгляд, все еще остается в лагере экзотики. Это, безусловно, лучший материал, который разумно и целесообразно используется для структурного усиления существующих конструкций. Карбоновые стержни из стеклопластика, закрепленные эпоксидной смолой в неглубоких бетонных канавках в покрытии конструкций, как лейкопластырь, придают элементу почти чудесную дополнительную способность к изгибу и сдвигу. Однако углеродные стержни или арматурные стержни из углеродного волокна остаются как минимум в 10 раз дороже, чем стержни из стеклопластика и стальной арматуры.”

Пожалуй, лучшим решением для конструкционного бетона, который будет подвергаться воздействию солей для борьбы с обледенением, является горячеоцинкованная арматура. Оцинкованные стержни будут противостоять коррозии примерно в четыре раза дольше, чем стержни из углеродистой стали, а надбавка к цене составляет всего около 10%. Оцинкованные стержни легко доступны по всей территории США

Проблема с железобетоном

Сам по себе бетон является очень прочным строительным материалом. Великолепный Пантеон в Риме, крупнейший в мире купол из неармированного бетона, находится в отличном состоянии спустя почти 1900 лет.И все же многие бетонные конструкции прошлого века — мосты, шоссе и здания — рушатся. Многие бетонные конструкции, построенные в этом столетии, к его концу устареют.

Учитывая сохранившиеся древние постройки, это может показаться любопытным. Решающее отличие — это современное использование стальной арматуры, известной как арматура, скрытая внутри бетона. Сталь в основном состоит из железа, и одно из неизменных свойств железа — то, что оно ржавеет. Это ухудшает долговечность бетонных конструкций, что трудно обнаружить и дорого ремонтировать.

Хотя ремонт может быть оправдан для сохранения архитектурного наследия знаковых зданий 20-го века, например, спроектированных пользователями железобетона, такими как Фрэнк Ллойд Райт, сомнительно, будет ли это доступным или желательным для подавляющего большинства сооружений. Писатель Роберт Курланд в своей книге «Бетонная планета» оценивает затраты на ремонт и восстановление бетонной инфраструктуры только в Соединенных Штатах в триллионы долларов, которые будут оплачиваться будущими поколениями.

Для замены старых мостов нужны новые деньги. 1stPix Фила / Flickr.com, CC BY-NC

Стальная арматура была кардинальным нововведением 19 века. Стальные стержни добавляют прочности, позволяя создавать длинные консольные конструкции и более тонкие плиты с меньшей опорой. Это сокращает время строительства, поскольку для заливки таких плит требуется меньше бетона.

Эти качества, продвигаемые напористым, а иногда и двуличным продвижением бетонной промышленности в начале 20 века, привели к его огромной популярности.

Железобетон конкурирует с более прочными строительными технологиями, такими как стальной каркас или традиционные кирпичи и строительный раствор. Во всем мире он заменил экологически чувствительные, низкоуглеродные варианты, такие как сырцовый кирпич и утрамбованную землю — исторические практики, которые также могут быть более долговечными.

Инженеры начала 20 века думали, что железобетонные конструкции прослужат очень долго — возможно, 1000 лет. На самом деле продолжительность их жизни больше примерно 50-100 лет, а иногда и меньше.Строительные нормы и правила обычно требуют, чтобы здания сохранялись в течение нескольких десятилетий, но ухудшение состояния может начаться всего через 10 лет.

Многие инженеры и архитекторы указывают на естественную близость стали и бетона: они имеют схожие характеристики теплового расширения, а щелочность бетона может помочь предотвратить ржавчину. Но по-прежнему отсутствуют сведения об их составных свойствах — например, в отношении изменений температуры, связанных с воздействием солнца.

Многие альтернативные материалы для армирования бетона, такие как нержавеющая сталь, алюминиевая бронза и фибро-полимерные композиты, еще не получили широкого распространения.Доступность простой стальной арматуры привлекает застройщиков. Но многие проектировщики и разработчики не принимают во внимание дополнительные расходы на обслуживание, ремонт или замену.

Дешево и эффективно, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. Луиджи Кьеза / Wikimedia Commons, CC BY-SA

Существуют технологии, которые могут решить проблему коррозии стали, например, катодная защита, при которой вся конструкция подключается к антикоррозийному электрическому току.Существуют также интересные новые методы контроля коррозии с помощью электрических или акустических средств.

Другой вариант — обработать бетон составом, ингибирующим ржавчину, хотя он может быть токсичным и не подходящим для зданий. Есть несколько новых нетоксичных ингибиторов, включая соединения, извлеченные из бамбука, и «биомолекулы», полученные из бактерий.

По сути, однако, ни одно из этих достижений не может решить врожденную проблему, заключающуюся в том, что использование стали внутри бетона разрушает его потенциально большую долговечность.

Экологические затраты на реконструкцию

Это имеет серьезные последствия для планеты. Бетон является третьим по величине источником выбросов углекислого газа после автомобилей и угольных электростанций. Только на производство цемента приходится примерно 5% мировых выбросов CO₂. Бетон также составляет самую большую долю отходов строительства и сноса и составляет около трети всех отходов свалок.

Переработка бетона сложна и дорога, снижает его прочность и может катализировать химические реакции, ускоряющие распад.Миру необходимо сократить производство бетона, но это будет невозможно без строительства долговечных конструкций.

Рекультивация арматуры: дорогостоящая работа. Анна Фродезиак / Wikimedia Commons

В недавней статье я предполагаю, что повсеместное признание железобетона может быть выражением традиционного, доминирующего и, в конечном счете, разрушительного взгляда на материю как на инертную. Но железобетон на самом деле не инертен.

Бетон обычно воспринимается как подобный камню, монолитный и однородный материал.Фактически, это сложная смесь вареного известняка, глиноподобных материалов и широкого спектра каменных или песчаных заполнителей. Сам известняк представляет собой осадочную породу, состоящую из раковин и кораллов, на формирование которых влияют многие биологические, геологические и климатологические факторы.

Это означает, что бетонные конструкции, несмотря на все их каменные поверхностные качества, на самом деле состоят из скелетов морских существ, вымоченных в скалах. Этим морским существам требуются миллионы и миллионы лет, чтобы жить, умереть и превратиться в известняк.Этот временной масштаб резко контрастирует с продолжительностью жизни современных зданий.

Сталь также часто считается инертной и упругой. Такие термины, как «железный век», предполагают древнюю долговечность, хотя артефакты железного века сравнительно редки именно потому, что они ржавеют. Если видна строительная сталь, ее можно обслуживать, например, если мост Харбор-Бридж в Сиднее неоднократно красится и перекрашивается.

Однако, когда сталь заделана в бетон, она скрыта, но тайно активна.Влага, проникающая через тысячи крошечных трещин, вызывает электрохимическую реакцию. Один конец арматуры становится анодом, а другой — катодом, образуя «батарею», которая обеспечивает преобразование железа в ржавчину. Ржавчина может расширять арматурный стержень в четыре раза, увеличивая трещины и заставляя бетон расколоться в процессе, называемом скалыванием, более известным как «рак бетона».

Конкретный рак: некрасиво. Саранг / Wikimedia Commons

Я предлагаю изменить наше мышление и признать бетон и сталь яркими и активными материалами.Это не случай изменения каких-либо фактов, а скорее переориентация того, как мы понимаем эти факты и действуем в соответствии с ними. Чтобы избежать отходов, загрязнения окружающей среды и ненужного восстановления, потребуется мыслить далеко за рамки дисциплинарных представлений о времени, и это особенно верно для строительной отрасли.

Разрушенные цивилизации прошлого показывают нам последствия краткосрочного мышления. Мы должны сосредоточиться на строительстве структур, которые выдержат испытание временем, чтобы не получить громоздкие, заброшенные артефакты, которые не больше подходят для своего первоначального назначения, чем статуи острова Пасхи.

Что нужно знать

Римляне изобрели первую в мире бетонную смесь в 3 веке до нашей эры, объединив воду, вулканическую пыль, заполнитель и гипс или известь. Два тысячелетия спустя бетон занял достойное место в качестве надежного конструкционного строительного материала.

С другой стороны, изобретение стали в качестве строительного материала не так уж и старо — она не использовалась широко в строительстве до середины XIX века из-за сложного производственного процесса.В 1850-х годах новые методы позволили ускорить производство стали, и она быстро приобрела известность как прочный и долговечный строительный материал. В течение следующих 150 лет популярность стали продолжала расти, и теперь, наряду с бетоном, это один из наиболее широко используемых конструкционных материалов.

Если вы думаете, использовать ли бетон или сталь в качестве основного строительного материала для вашего проекта, вам следует учесть несколько факторов. Оба являются одинаково достойными конструкционными материалами.Бетон стоит дороже, но, возможно, обеспечивает лучшую общую производительность. Чтобы понять, какой материал лучше подходит для вашего проекта, вы должны знать, как они соотносятся по прочности, долговечности, огнестойкости, устойчивости и, конечно же, стоимости.

1. Прочность

Прочность на сжатие — это способность материала противостоять давящей силе. В здании прочность на сжатие плит, балок, колонн и фундамента позволяет этим элементам выдерживать вертикальные нагрузки здания без повреждений.

Предел прочности — это сопротивление материала разрушению при растяжении. Способность балки противостоять вертикальным нагрузкам является примером прочности на растяжение, поскольку она предотвращает удлинение нижней стороны и растрескивание при приложении нагрузки сверху.

Разрушение при сдвиге вызывается двумя невыровненными силами, действующими на здание в разных направлениях, и обычно происходит во время землетрясения или из-за сильного ветра. Прочность на сдвиг — это способность материала противостоять этому типу разрушения.

Бетон имеет отличную прочность на сжатие, но он очень хрупкий и легко ломается при растяжении. Чтобы противостоять этой слабости, в него заделаны арматурные стержни из материала, устойчивого к растяжению. Эти стержни, как правило, стальные, хотя доступны и композитные варианты.

В железобетоне общая прочность зависит от прочности бетона на сжатие и прочности на разрыв стальной арматуры. Вертикальные стержни, проходящие по длине элемента конструкции, связаны с более короткими перпендикулярными стержнями, называемыми хомутами, эти хомуты обеспечивают прочность на сдвиг.

Прочность на растяжение

Steel является одной из самых продаваемых характеристик, но умело спроектированные стальные конструкции обладают такой же общей прочностью, что и их железобетонные аналоги. Прочная конструкция конструкции является ключом к достижению достаточной прочности на сжатие, растяжение и сдвиг стальной конструкции.

2. Прочность

Прочность — это степень устойчивости материала к окружающей среде. И железобетон, и сталь могут прослужить долгое время без разрушения, если их точно настроить в соответствии со своими настройками.

Правильно подобранный железобетон выдерживает циклы замораживания-оттаивания, воздействия химикатов, морской воды, влаги, солнечного излучения и истирания. Поскольку бетон неорганический, он не подвержен атакам паразитов. Что еще более важно, он не горит и не плавится.

Но, несмотря на высокую прочность, железобетон скрывает потенциальный недостаток — ту же подверженную коррозии стальную арматуру, которая делает его более прочным. Ржавая арматура теряет связь с окружающим бетоном и образует оксид железа, который расширяется, что приводит к растягивающим напряжениям и, в конечном итоге, к разрушению.Хотя естественная щелочность бетона снижает коррозию арматуры, может потребоваться дополнительная защита для железобетона, подверженного воздействию морской воды или большого количества противообледенительной соли. Для этой цели хорошо подходят арматура с эпоксидным покрытием, нержавеющая сталь или композит.

Конструкционная сталь так же подвержена коррозии, как и арматура, и также требует защиты. Краска, порошковое покрытие, защитные слои и химические вещества, ингибирующие коррозию, — все это методы, которые могут устранить или ограничить коррозионное повреждение конструкционной стали.

3. Огнестойкость

Состав железобетона делает его по существу инертным и, следовательно, негорючим, а его низкая скорость теплопередачи предотвращает распространение огня между помещениями.

При этом и бетон, и стальная арматура могут потерять свою прочность после длительного воздействия высоких температур. В зависимости от типа используемого заполнителя бетон может начать терять свою прочность на сжатие при температурах от 800 ° F до 1200 ° F.Исследования показывают, что легкий бетон имеет лучшую огнестойкость благодаря своим изоляционным свойствам и более низкой скорости теплопередачи.

Конструкционная сталь менее устойчива к возгоранию, чем железобетон. Он начинает терять свою прочность при температурах выше 550 ° F и сохраняет только 50% своего предела текучести при комнатной температуре при 1100 ° F. Различные методы могут снизить скорость повышения температуры в стальных конструкционных элементах здания. Сюда могут входить огнестойкие покрытия, барьеры, системы охлаждения, бетонная облицовка и активные меры, такие как спринклеры.

4. Устойчивое развитие

И бетон, и сталь обладают экологическими преимуществами при использовании в строительстве. Около 85% всей стали, используемой в мире, в конечном итоге перерабатывается. Это имеет смысл только с учетом обилия металлолома и легкости процесса переработки. Помимо снижения спроса на вновь добываемые ресурсы, переработка стали потребляет лишь треть энергии, потребляемой при производстве стали.

Бетон также может похвастаться несколькими экологичными свойствами.Большинство из них возникает в относительной близости от строительной площадки, что сокращает количество энергии, необходимой для транспортировки. После сноса его можно переработать для производства гравия, заполнителя или материалов для дорожного покрытия для строительства дорог, борьбы с эрозией, ландшафтного дизайна, восстановления океанических рифов и других задач. Незагрязненный бетон можно превратить в заполнитель для новых смесей.

Квартира построена из бетона

Переработка бетона имеет много преимуществ для окружающей среды. Он предотвращает попадание мусора на свалки, сокращает количество строительного мусора и заменяет гравий и заполнители, которые в противном случае были бы добыты и отправлены.

5. Стоимость

Железобетон — более дорогая альтернатива конструкционной стали. Рабочая сила и материалы, необходимые для установки опалубки и арматуры, заливки бетона и обеспечения его правильного затвердевания, могут составлять значительную часть общих затрат.

При этом цены на бетон относительно стабильны.С 2000 года цены на различные бетонные изделия неуклонно росли вместе с темпами инфляции, и это важный фактор, который следует учитывать при ценообразовании проектов, запланированных на далекое будущее.

Несмотря на более высокую стоимость, прочность, долговечность и огнестойкость бетона не остаются незамеченными страховыми агентствами. Как правило, страховые компании присваивают бетонным конструкциям более высокий рейтинг безопасности и более низкие премии по своим полисам.

Сталь дешевле, чем бетон, и ее быстрее возводят, но у нее больше времени на выполнение заказа.Из-за его более низкой огнестойкости страховые взносы для стальных конструкций обычно выше.

Цены на сталь, как известно, нестабильны, и последние два десятилетия рисуют хаотичную картину. Достигнув пика в первые месяцы 2008 года, они вошли в нисходящую спираль с Великой рецессией. Еще десять лет взлетов и падений, и в 2018 году сталь снова подскочила. Сейчас на рынке покупателя они падают, но некоторые эксперты ожидают, что они восстановятся в конце года. Такие колебания цен представляют собой серьезную проблему для бюджета, и это, вероятно, будет продолжаться, учитывая нынешнюю глобальную экономическую нестабильность.

Дизайн Эверест может помочь

Если вы не уверены, что лучше подходит для вашего здания — сталь или бетон, мы можем помочь. Наши инженеры оценят переменные, влияющие на ваш проект, и предложат экономичное решение, адаптированное к вашему замыслу. Позвоните нам (877) 892-0292 , чтобы получить БЕСПЛАТНУЮ консультацию и расценки.

Источники:
[1] http: // www.essential-humanities.net/art-supplementary/tension-compression/
[2] http://by.genie.uottawa.ca/~murat/Chapter%202%20-%20SHEAR%20DESIGN%20SP%2017%20-%2009-07.pdf
[3] https://www.cement.org/learn/concrete-technology/durability
[4] https://www.cement.org/docs/default-source/th-buildings-structures-pdfs/fire-concrete-struc-sei-08.pdf
[5] https://practical.engineering/blog/2019/3/9/does-rebar-rust
[6] https: // www.Metalsupermarkets.com/how-to-prevent-corrosion/
[7] https://www.canadianconsultingengineer.com/features/fire-and-structural-steel/
[8] https://www.thebalancesmb. com/recycling-concrete-how-and-where-to-reuse-old-concrete-844944
[9] https://www.concretecentre.com/Performance-Sustainability-(1)/Fire-Resistance.aspx
[10] https://beta.bls.gov/dataViewer/view/timeseries/WPU133
[11] https: // beta.bls.gov/dataViewer/view/timeseries/WPU101704
[12] https://ihsmarkit.com/solutions/steel-forecast.html
[13] https://www.romae-vitam.com/roman-concrete.html
[14] https://www.steelincga.com/a-brief-history-of-steel-construction/

Композитная конструкция — SteelConstruction.info

Композитная конструкция доминирует в секторе нежилого многоэтажного строительства.Так было уже более двадцати лет. Его успех объясняется прочностью и жесткостью, которые могут быть достигнуты при минимальном использовании материалов.

Причину, по которой композитные конструкции часто бывают такими хорошими, можно выразить одним простым способом — бетон хорош на сжатие, а сталь хороша на растяжение. Соединяя два материала вместе, можно использовать эти сильные стороны, чтобы получить высокоэффективную и легкую конструкцию. Уменьшенный собственный вес композитных элементов имеет эффект удара, уменьшая силы в этих элементах, поддерживающих их, включая фундамент.Композитные системы также предлагают преимущества с точки зрения скорости строительства. Уменьшение глубины перекрытия, которое может быть достигнуто с помощью композитной конструкции, также может обеспечить значительные преимущества с точки зрения затрат на услуги и ограждающей конструкции здания.

В этой статье рассматриваются составные балки, составные плиты, составные колонны и составные соединения. В то время как балки и плиты очень распространены в строительстве в Великобритании, на самом деле существует ряд различных основных типов композитных балок, композитных колонн и композитных соединений гораздо меньше.Причины этого рассматриваются ниже.

Профнастил трапециевидный на балки перекрытия

[вверх] Проектирование композитных элементов и систем

Проектирование композитных балок в Великобритании традиционно выполнялось согласно BS 5950-3-1 ^[1]. Композитные плиты с профилированным стальным листом были разработаны в соответствии с BS 5950-4 ^[2], а профилированный настил, используемый для этих плит, — в соответствии с BS 5950-6 ^[3].Для композитных колонн не было руководства Британских стандартов. Проектирование композитных балок и композитных плит (для зданий) теперь регулируется BS EN 1994-1-1 ^[4]. BS 5950-6 ^[3] был заменен BS EN 1993-1-3 ^[5]

Более подробную информацию об относительном статусе структурных Еврокодов и британских стандартов можно найти, перейдя по ссылке здесь.

[наверх] Как и почему работают композитные конструкции

Показано распределение пластических напряжений в типичной балке перекрытия, действующей совместно с композитной плитой.Относительные пропорции стального профиля и плиты означают, что, как это обычно бывает, пластическая нейтральная ось лежит внутри бетона. Таким образом, вся сталь находится в напряжении.

Бетон — это материал, который хорошо работает при сжатии, но имеет незначительное сопротивление растяжению. Следовательно, для структурных целей он традиционно полагается на стальную арматуру, которая выдерживает любые растягивающие усилия (это роль, которую играет стальная часть композитного поперечного сечения, которая фактически является внешней арматурой), или должна подвергаться предварительному напряжению, чтобы даже при воздействии растяжение, элемент находится в чистом сжатии.

Чтобы бетонная часть (в пределах так называемой эффективной ширины) поперечного сечения выдерживала сжатие, а стальная часть выдерживала растяжение, два материала должны быть структурно связаны друг с другом. Для балок с выступом это достигается с помощью срезных шпилек с головкой, которые прикрепляются к верхней полке стальной балки. Это соединение обычно достигается с помощью так называемой сквозной сварки настилов. Профилированный металлический настил, образующий основу композитных плит, зажат между основанием стойки и верхним фланцем, и в процессе сварки все три соединяются вместе. Наличие цинкования на настиле не влияет на качество сварки.

В исключительных случаях сварку через настил можно избежать за счет использования однопролетных отрезков настила (стыкующихся до рядов шпилек, приваренных непосредственно к верхнему фланцу в производственном цехе) или вырезания отверстий в настиле, чтобы его можно было уронить в цехе приварены шпильки.

Доступны и другие формы соединений, работающих на срез, включая шпильки большего диаметра и соединители с дробеструйной обработкой, но для зданий наиболее распространенным вариантом являются шпильки с головкой диаметром 19 мм.Их сопротивление согласно BS EN 1994 ^[4] при использовании с поперечным настилом меньше, чем сопротивление, указанное в BS 5950-3-1 ^[1]. Кроме того, в стандарте BS EN 1994 ^[4] говорится, что не более двух стоек можно использовать на желоб, когда настил проходит поперек оси балки.

Одним из преимуществ приварных шпилек является то, что они считаются пластичными, что означает, что (при отсутствии каких-либо соображений усталости) соединение, работающее на сдвиг, может быть спроектировано с использованием принципов пластичности, поскольку предполагается, что сила может быть перераспределена между соседними шпильки. Это значительно упрощает процесс проектирования.

Когда балка спроектирована с полным соединением сдвига, это означает, что имеется достаточно соединителей, чтобы либо полностью разрушить бетон при сжатии, либо полностью разрушить стальную секцию при растяжении (в зависимости от того, какая сила меньше). Однако может использоваться меньшее количество соединителей, что приводит к так называемому соединению с частичным сдвигом. Это может произойти, если приложенная нагрузка находится на достаточно низком уровне, например, в общих случаях, когда конструкция балки определяется стадией строительства или соображениями эксплуатационной пригодности.Однако в правилах также указывается определенная минимальная степень соединения, которая необходима для предотвращения чрезмерного скольжения между сталью и бетоном, которое может привести к выходу из строя соединителей.

До внесения поправок в 2010 году в BS 5950-3-1 ^[1], который был написан в 1980-х годах, использовался довольно упрощенный подход к вопросу о минимальной степени соединения, работающего на сдвиг. BS EN 1994 ^[4] признает два дополнительных параметра, которые влияют на эту минимальную степень, а именно марку стали и эффект асимметрии, когда одна из полок балки больше другой (верхняя полка меньшего размера часто используется, поскольку бетон несет большую часть сжатия, но такая асимметрия предъявляет более высокие требования к сдвиговым шпилькам с точки зрения способности скольжения).Для стали S275 и симметричных профилей ограничения в BS EN 1994 ^[4] значительно менее обременительны, чем в BS5950 ^[1]. Для асимметричных балок они значительно более обременительны. Даже BS EN 1994 ^[4] не признает значительных преимуществ, когда балка не подпирается во время строительства, как и большинство из них. Он также не может в явной форме признать преимущества, которые будут иметь место, когда балка имеет регулярно разнесенные большие отверстия в стенке или только часть используется при изгибе (потому что соображения SLS определяют дизайн).SCI P405, опубликованный SCI в 2015 году в качестве замены для NCCI, созданного SCI (Pn002a), позволяет ослабить минимальную степень соединения при соблюдении определенных критериев.

Преимущество структурного соединения стали и бетона заключается в увеличении сопротивления только стальной балки; обычно это примерно в два раза. Жесткость может увеличиться до трех раз. Относительные преимущества уменьшаются с увеличением пролета, поскольку размер стальной балки увеличивается по сравнению с размером плиты.

Стальная рама с | композитными балками во время строительства
(Изображение любезно предоставлено Structural Metal Decks Ltd.)

Компоненты составной балки описаны выше, но те же принципы применимы к составным плитам и составным колоннам. В плите используется профилированный стальной настил вместо стального профиля, а сила передается через углубления и определенные аспекты геометрии настила (а не через отдельные срезные штифты).Составная колонна может представлять собой стальную трубу с полым профилем, заполненную бетоном, или открытую стальную секцию, залитую бетоном. Сила передается между двумя материалами посредством трения и, при необходимости, дискретных механических соединителей, включая срезные шпильки, которые могут быть прикреплены к заделанной стальной секции. При всех формах композитной конструкции проектировщику важно не забывать о стадии строительства. Предполагая, что временная подпорка отсутствует, стальная часть композитного поперечного сечения должна одна выдерживать собственный вес и другие строительные нагрузки, поскольку бетон на этой стадии неэффективен.Мало того, что сопротивление меньше, но могут быть явления нестабильности, которые следует учитывать. При совместном действии верхняя полка стальной балки удерживается в поперечном направлении плитой, но во время строительства поперечное продольное изгибание при кручении (LTB) может снизить эффективное сопротивление — только когда настил проходит поперечно и правильно закреплен, это предотвращает LTB — дальнейшее руководство доступны как дизайн в SCI P359, так и детализация в SCI P300.

[вверх] Виды составной балки

Ниже рассматриваются три основных типа составной балки.Факторы, имеющие отношение к конкретному проекту, будут влиять на то, какая система полов будет наиболее подходящей.

[вверх] Балка перекрытий

Открытые концы сборных элементов, готовых к армированию и монолитному бетону

Наиболее распространенный типа составного пучка является одним, где композитной плита сидит на вершине отбортовки луча, связанный с использованием через палубу приварена сдвиг шпильки. Эта форма конструкции имеет ряд преимуществ — настил действует как внешнее армирование на этапе композитного монтажа, а на этапе строительства — как опалубка и рабочая площадка.Он также может обеспечивать поперечное ограничение балок во время строительства. Настил поднимается на место пучками, которые затем вручную распределяются по площади пола. Это значительно снижает подъемные силы крана по сравнению с альтернативой на основе сборных железобетонных конструкций.

Дополнительные указания по практическим аспектам размещения настилов можно найти в руководстве по передовой практике SCI P300.

Другой распространенный тип композитной балки — это балка, в которой, как и в случае с традиционным несоставным стальным каркасом, сборная бетонная плита располагается поверх верхней полки стальной балки.Эффективный диапазон пролета для этого типа решения составляет от 6 до 12 м, что делает его конкурентом для ряда вариантов бетонных полов. Особая детализация требуется для соединения, работающего на сдвиг, когда используются сборные элементы, чтобы корпус сборных элементов мог быть мобилизован как часть сжатого фланца бетона. См. SCI P401 для получения дополнительной информации.

[вверх] Решения с большим пролетом

Существует ряд вариаций идеи балок перекрытия для удовлетворения потребностей в длинных пролетах.Они дают возможность достичь более длинных пролетов (20 м или более), чем это возможно при использовании «стандартной» сплошной стенки, прокатной балки вниз.

[наверх] Решения для неглубоких полов

Система USFB
(Изображение любезно предоставлено Kloeckner Metals UK Westok)

Неглубокие этажи предлагают ряд преимуществ, таких как минимизация общей высоты здания для заданного количества этажей или максимальное количество этажей для заданной высоты здания.Кроме того, достигается плоский потолок — отсутствуют перерывы, характерные для балок нижнего этажа, — что дает полную свободу для распределения услуг под полом. Эти преимущества следует рассматривать в контексте конкретного проекта, чтобы определить, когда они наиболее подходят.

Мелкость перекрытий достигается за счет размещения плит и балок в одной зоне. Это достигается за счет использования асимметричных стальных балок с более широким нижним фланцем, чем верхний фланец, что позволяет плите располагаться на верхней поверхности нижнего фланца с надлежащей опорой, а не на верхней поверхности верхнего фланца, как это бывает с балками нижней стойки.Плита перекрытия может быть в виде сборной бетонной плиты или композитной плиты с металлическим настилом (может использоваться как неглубокий, так и глубокий настил). Дополнительным преимуществом является то, что некоторые формы конструкции неглубокого перекрытия по своей сути обеспечивают композитное взаимодействие между балками и плитой, тем самым повышая эффективность конструкции.

Доступен ряд решений для неглубоких перекрытий, в том числе балки для неглубоких перекрытий (USFB) от Kloeckner Metals UK Westok.

Kloeckner Metals UK Система USFB компании Westok состоит из неглубокой и асимметричной ячеистой балки Westok с арматурой, проходящей через ячейки для крепления плиты к балке.«Plug Composite Action» можно использовать для USFB, что было продемонстрировано с помощью полномасштабных лабораторных испытаний, для дальнейшего увеличения пропускной способности секции. Чтобы задействовать «Plug Composite Action», необходимо принять следующие детали:

Плиты из композитных материалов с металлическим настилом: бетонные плиты вровень с верхним фланцем или над ним
Сборные железобетонные изделия, как правило: минимальный верхний уровень 50 мм с верхним фланцем или над ним
Пустотные блоки: каждые 2 ядра ^и выломаны, заполнены бетоном и армированы через ячейку
Сплошные монолитные плиты: бетонный уровень с верхним фланцем (или выше)

USFB могут экономично пролетать до 10 м с конструкционной глубиной, которая очень выгодна по сравнению с R.C. плоские плиты. Таким образом, они популярны во многих секторах, особенно в образовании, коммерции и жилом секторе.

USFB с сборными плитами из холлокора
(Изображение любезно предоставлено Kloeckner Metals UK Westok)
USFB с глубоким настилом
(Изображение любезно предоставлено Kloeckner Metals UK Westok)

[вверх] Композитные плиты

Композитные плиты состоят из железобетона, уложенного поверх профилированного стального настила, который выполняет роль опалубки во время строительства и внешнего армирования на завершающей стадии.Настил может быть либо входящим, либо трапециевидным, как показано ниже. Трапециевидный настил может иметь глубину более 200 мм, в этом случае он называется глубоким настилом. Дополнительные арматурные стержни могут быть помещены в желоба настила, особенно для глубокого настила. Иногда они требуются для настилов неглубокого заложения, когда большие нагрузки сочетаются с высокими периодами огнестойкости.

Входной и трапециевидный настил

На рисунке ниже показана геометрия типичной трапециевидной деки 80 мм.Сталь оцинкована и может иметь разную толщину, хотя обычно около 1 мм. Поскольку он такой тонкий, необходимы ребра жесткости, чтобы избежать местного коробления, когда он действует как стальная секция без покрытия, чтобы выдерживать влажный вес бетона и другие строительные нагрузки. Входящий элемент жесткости, показанный в верхней части настила, не только укрепляет верхний фланец, но также может использоваться для поддержки подвесок для относительно легких предметов, подвешенных к потолку. Блокировка достигается за счет выпуклостей (ямок), которые вкручиваются в профиль настила, и за счет захвата бетона вокруг входящих частей профиля.Стандартных профилей настила не существует, поэтому взаимодействие, достигаемое за счет тиснения и т. Д. Каждой типовой колоды, отличается. Он определяется испытаниями, проводимыми изготовителем деки.

Геометрия типичного трапециевидного настила 80 мм

Результаты таких тестов традиционно переводятся в так называемые эмпирические константы m и k, которые определяют производительность конкретной колоды.BS EN 1994 ^[4] также включает опцию для определения сцепления при сдвиге на единицу площади плиты (τ), которую затем можно использовать как часть более сложного подхода (значение τ аналогично сопротивлению сдвигу). шпилька). Дизайнеры получают соответствующую информацию (неявно) из программного обеспечения или брошюр, предоставляемых производителями террасной доски.

Профилированный настил часто спроектирован таким образом, чтобы он был непрерывным в двух пролетах, когда он действует как опалубка. Композитные плиты обычно проектируются так, чтобы они были простыми перекрытиями при комнатной температуре, но сплошными в условиях пожара.Эта непрерывность достигается благодаря номинальной арматуре, которая также выполняет другие функции, такие как контроль трещин, которая продолжается на промежуточных опорах (ее влияние — предполагаемое положительным — игнорируется при проектировании при комнатной температуре).

Входящий или трапециевидный настил глубиной от 50 до 60 мм может охватывать около 3 м без опор, трапециевидные профили глубиной 80 мм могут охватывать до 4,5 м без опор, а глубина настила может достигать около 6 м. Общая глубина плиты составляет от 130 мм.Двухчасовая огнестойкость может быть достигнута без необходимости противопожарной защиты стального настила.

В композитных плитах можно формировать проемы, хотя это следует планировать и формировать проемы на этапе строительства, а не вырезать бетон. Отверстия площадью до 300 мм не требуют дополнительных приспособлений, отверстия до 700 мм требуют дополнительного усиления локально вокруг отверстия, а отверстия размером более 700 мм требуют использования обрезной стали для поддержки отверстия.

Дальнейшие инструкции по проектированию и детализации композитных плит приведены в SCI P359 и SCI P300 соответственно, противопожарная конструкция по Еврокодам обсуждается в SCI P375, также доступны инструкции по установке металлических настилов.

[вверх] Композитные колонны

Составные столбцы могут принимать различные формы, как показано на рисунке ниже. Как и все композитные элементы, они привлекательны тем, что играют на относительной прочности как стали, так и бетона. Это может привести к высокому сопротивлению при относительно небольшой площади поперечного сечения, тем самым максимально увеличивая полезную площадь пола.Они также демонстрируют особенно хорошие характеристики в условиях пожара.

Типовые поперечные сечения композитных колонн

Правила проектирования композитных колонн в несущих каркасах приведены в BS EN 1994-1-1 ^[4]. Это первый раз, когда в коде для Великобритании дано руководство, которое может объяснить, почему составные столбцы до настоящего времени использовались редко. Правила предусмотрены для составных H-образных секций, полностью или частично закрытых (только заполнение стенкой), а также для полых секций, заполненных бетоном.Показаны типовые сечения. Композитные колонны, требующие опалубки во время строительства, обычно не считаются рентабельными в Великобритании.

Компрессионные элементы полого профиля, заполненного бетоном, не нуждаются в опалубке, и они используют материал более эффективно, чем эквивалентное H-образное сечение. Бетонное заполнение значительно увеличивает сопротивление сжатию оголенной стальной секции, распределяя нагрузку и предотвращая локальное изгибание стали. Прирост огнестойкости может быть не менее ценным, особенно если он позволяет оставить колонну незащищенной или лишь слегка защищенной.Заполняющий бетон удерживает свободную воду, которая в других ситуациях была бы потеряна; его скрытая теплота испарения значительно задерживает повышение температуры.

Могут использоваться прямоугольные и круглые полые профили. Преимущество прямоугольных секций в том, что они имеют плоские поверхности для соединений концевой пластины балка-колонна (с использованием соединений Flowdrill или Hollo-bolt). Обычные ребристые пластины могут быть любой формы.

Разработана программа FireSoft для проектирования полых профилей, заполненных бетоном, в условиях окружающей среды и пожара.

[вверх] Композитные соединения

Хотя существует руководство по проектированию композитных соединений (SCI P213), они очень мало используются в Великобритании (да и вообще в других странах Европы). Теоретически они кажутся привлекательными, так как армирование плиты может использоваться, чтобы избежать необходимости добавлять к соединению стальных конструкций, например, с дополнительными рядами болтов в удлиненной концевой пластине. Однако трудно добиться правильной детализации композитных соединений, потому что потребности в прочности, жесткости и пластичности могут граничить с взаимоисключающими: слишком малое армирование снизит пластичность соединения (способность вращения) из-за потенциального разрушения арматуры, слишком большое будет снизить пластичность из-за разрушения бетона.

В попытке преодолеть некоторые практические проблемы, чтобы можно было более широко использовать привлекательные свойства композитных соединений, в Европе продолжается исследовательская работа, которая может привести к включению конкретных рекомендаций в пересмотренную версию BS EN 1994-1-1 ^[4] запланирован примерно на 2025 год.

[вверх] Список литературы

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 BS 5950-3-1: 1990 + A1: 2010 Использование стальных конструкций в строительстве.Дизайн в композитном строительстве. Свод правил проектирования простых и неразрезных составных балок. BSI
↑ BS 5950-4: 1994 Использование стальных конструкций в строительстве. Свод правил проектирования композитных плит с профилированным стальным листом. BSI
↑ ^3,0 ^3,1 BS 5950-6: 1995 Использование стальных конструкций в строительстве. Часть 6. Практические правила проектирования легкого профилированного стального листа. BSI
↑ ^4,0 ^4,1 ^4.2 ^4,3 ^4,4 ^4,5 ^4,6 ^4,7 ^4,8 BS EN 1994-1-1: 2004 Еврокод 4. Проектирование композитных стальных и бетонных конструкций. Общие правила и правила для построек. BSI
↑ BS EN 1993-1-3: 2006 Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Основные правила. Дополнительные правила для холодногнутых профилей и листов. BSI

[вверх] Дополнительная литература

Руководство конструктора по металлу, 7-е издание. Редакторы Б. Дэвисон и Г. В. Оуэнс.Институт стальных конструкций 2012, главы 21, 22 и 23
Джонсон Р.П. Композитные конструкции из стали и бетона, том 1, 2004 Blackwell Scientific Press.
Джонсон Р.П., Руководство проектировщиков по Еврокоду 4 «Проектирование композитных зданий», 2-е издание. ЛЕД.
Nethercot, D. Композитная конструкция. Spon Press.

[вверх] Ресурсы

SCI P300, Композитные перекрытия и балки с использованием стальных настилов: передовой опыт проектирования и строительства, (пересмотренное издание), 2009 г.
SCI P359, Составное проектирование зданий со стальным каркасом, 2011 г.
SCI P213 Соединения в стальной конструкции: композитные соединения, 1998
SCI P287, Проектирование композитных балок с использованием сборного железобетона, 2003 г. (обновленная версия этой публикации, соответствующая Еврокоду, P401, доступна в SCI)
PN002a, NCCI: измененные ограничения на соединение частичного сдвига в балках для зданий SCI
SCI P365, Проектирование стального здания: каркасы со связями средней высоты, 2009 г.
SCI P375, Расчет огнестойкости зданий со стальным каркасом, 2012 г.
SCI P401, Расчет композитных балок с использованием сборных железобетонных плит в соответствии с Еврокодом 4, доступен в SCI
SCI P405, Правила минимальной степени сдвигового соединения для строительства в Великобритании согласно Еврокоду 4, 2015

Инструменты для проектирования элементов:

[вверху] См. Также

[вверх] Внешние ссылки

Горизонтальная несущая способность композитных заполненных бетоном стальных трубчатых свай

Стальные обсадные трубы (SC) широко и все чаще используются для стабилизации стенки скважины при строительстве свайных фундаментов мостов.Стальные обсадные трубы (ЖБК) вместе с железобетонными сваями (ЖБП) образуют композитные заполненные бетоном стальные трубчатые сваи (ББТ), которые существенно отличаются от обычных ГТН по горизонтальной несущей способности. В этом исследовании, основанном на характеристиках CCFSTP, горизонтальная несущая способность CCFSTP была исследована посредством испытания на центробежной модели с длиной стального корпуса ( L _SC) и модулем массы грунта в стали. зона уплотнения грунта обсадной колонны ( E _{SCSC_zone}) в качестве переменных.Сопротивление грунта со стороны сваи, кривые нагрузки-смещения и кривые момента сваи были получены для CCFSTP. Результаты показывают, что увеличение L _SC в пределах диапазона 12 см значительно увеличивает предельную горизонтальную несущую способность CCFSTP, а дальнейшее увеличение L _SC свыше 12 см приводит к непрерывному увеличению предельной горизонтальной несущей способности. CCFSTP, но лишь в незначительной степени. Кроме того, увеличение E _{SCSC_zone} увеличивает предельную горизонтальную несущую способность CCFSTP, но в относительно небольшой степени.Результаты этого исследования обеспечивают теоретическую основу и техническую поддержку для проектирования и строительства CCFSTP.

1. Введение

Свайный фундамент [1–10] является важной частью строительства автомобильных мостов. При строительстве буронабивных свай стальная обсадная труба обычно используется для стабилизации стенки скважины или решения проблемы утечки шлама в огромных пещерах. Когда стальные обсадные трубы перерабатываются, их называют железобетонными сваями (ЖБИ). Однако стальные кожухи (SC), используемые во время строительства, трудно утилизировать после сооружения свай из-за требований к конструкции и их относительно большой глубины заглубления.Таким образом, вместе с железобетоном (RC), SC образуют композитную конструкцию из стальных труб, заполненных бетоном, которую в данном исследовании называют композитными сваями из стальных труб, заполненных бетоном (CFST) (CCFSTP). Кроме того, CCFSTP имеют большое поперечное сечение вверху и маленькое поперечное сечение внизу, как показано на рисунке 1. Несущая способность CCFSTP имеет больший запас прочности, чем у обычных RCP того же диаметра. . Фактически, CCFSTP уже широко используются при строительстве автомобильных мостов.Однако в основном SC считается запасом прочности для свайного фундамента. Сохранение этого запаса прочности необходимо учитывать при проектировании.

Ученые всего мира провели исследования, касающиеся композитных структур CFST. Техническая спецификация на конструкции CFST в Китае, выпущенная в 2014 году, в основном вводит методы проектирования круглых CFST. В этой спецификации используется теория удержания и предполагается, что увеличение прочности бетона сердцевины прямо пропорционально горизонтальному давлению, создаваемому внешней стальной трубой [11].Несколько стран, включая США и Японию, провели исследования, касающиеся использования структур CFST для строительства фундаментов. Спецификация расчета коэффициента нагрузки и сопротивления Американского института стальных конструкций определяет методы расчета композитных колонн. В этой спецификации рассматривается общая стабильность элементов при осевом сжатии путем обработки элементов CFST как элементов из чистой стали и включения прочности бетона в прочность стали [12]. Спецификация Стальной трубы, заполненной бетоном (CFST) Японского архитектурного института, учитывает ограничивающее воздействие стальной трубы на бетон сердечника при расчете несущей способности круглого элемента CFST [13].Спецификация на сталь, бетон и композитные мосты Британского института стандартов для проектирования бетонных мостов гласит, что центральный бетон сжимается в трех направлениях под действием стальной трубы, и прочность увеличивается при расчете несущей способности круглого члена CFST [ 14]. В Еврокоде 4 Европейского комитета по стандартизации «Проектирование стали и зданий» указано, что конструкция железобетонной композитной конструкции накладывается на всю пластиковую секцию, а затем несущая способность корректируется путем сравнения и анализа результатов испытаний [15].Johansson et al. [16] изучили механическое поведение 13 образцов колонн CFST при трех различных условиях нагружения с помощью статических испытаний и обнаружили, что прочность сцепления сильно влияет на эффекты удержания, когда нагрузка прикладывается только к бетонной части, и, таким образом, влияет на механические свойства колонн. . Trentadue et al. В [17] предложены аппроксимации в замкнутой форме диаграмм взаимодействия осевого силового и изгибающего момента для железобетонных колонн и бетонных стальных труб круглого сечения.Юсуф и др. [18] изучали поведение полых и заполненных бетоном трубчатых колонн из нержавеющей стали при статической и ударной нагрузке. Патель и др. [19, 20] описали проверку и применение многомасштабной модели для столбцов CFST. Brown et al. [21], Aguirre et al. [22], и Montejo et al. [23] исследовали нелинейное сейсмическое поведение железобетонных стальных труб. Юнг и др. [24] улучшили расчетные уравнения сдвига посредством дальнейших экспериментальных и аналитических исследований сопротивления сдвигу и поведения круговой CFT.Du et al. [25] и Ding et al. [26] исследовали режимы разрушения, кривые зависимости ударной силы от времени и кривые зависимости от времени деформации, чтобы оценить поведение элемента CFCST под ударной нагрузкой. Zhu et al. [27] и Wang et al. [28] изучали факторы, влияющие на несущую способность заполненных бетоном колонн из стальных труб. Все вышеупомянутые исследования сосредоточены на механических свойствах и несущей способности композитных стальных трубчатых бетонных конструкций. Однако отсутствуют исследования горизонтальной несущей способности CCFSTP, когда они взаимодействуют с окружающей горной породой и массивом грунта.Функциональное различие между свайным фундаментом моста и колоннами CFST приводит к разнице в горизонтальной несущей способности между колоннами CCFSTP и CFST. Следовательно, необходимо изучить горизонтальную несущую способность CCFSTP.
В этом исследовании, основанном на испытании на центробежной модели, горизонтальная несущая способность CCFSTP зависит от длины стального корпуса ( L _SC) и модуля упругости массы грунта в грунте стального корпуса. зона уплотнения (SCSC) ( E _{SCSC_zone}).Анализируется механизм передачи нагрузки CCFSTP при горизонтальной нагрузке с целью обеспечения технической основы для проектирования и строительства свайных фундаментов мостов.
2. Экспериментальное исследование
Для изучения горизонтальной несущей способности свай была проведена серия испытаний на центробежной модели для анализа влияния стального корпуса и модуля упругости грунта в зоне уплотнения грунта стального корпуса на несущую способность. свай.
2.1. Физическая модель
Для изучения разницы в горизонтальной несущей способности между композитными заполненными бетоном стальными трубными сваями (CCFSTP) и обычной железобетонной сваей (RCP) были спроектированы 4 модели CCFSTP и 1 модель RCP, как показано в таблице 1 и 2 с учетом влияния длины стального кожуха. Сваи фрикционные.
2
Номер сваи модели L (см) L _SC (см) D
9045 (мм)
т (мм) т _SC (мм)
CCFSTP-1 35 20 25 25 2
CCFSTP-2 35 16 25 30 2 2
CCFSTP-3 35 2
CCFSTP-4 35 8 25 30 2 2
RCP-0 35 0 905 0 2 2
Примечание . L обозначает длину ворса модели. L _SC представляет собой длину стального кожуха. D — внешний диаметр сваи модели. D _SC представляет собой внешний диаметр стального кожуха. т. — толщина сваи модели. т _SC представляет толщину стального кожуха.
Грунт в модели состоит из несборного лёсса толщиной 40 см.На практике стальной корпус уплотняет почву вокруг сваи. Чтобы точно отразить механические условия исходного CCFSTP, влияние уплотнения грунта стального корпуса на горизонтальную несущую способность CCFSTP было смоделировано в модельном испытании путем изменения E _SCSC _ _зона (зона SCSC — зона толщиной 15 мм вокруг стального кожуха, где 15 мм — радиус стального кожуха). Из-за сложности работы в ограниченном пространстве внутри модельной камеры, для предварительной подготовки грунта в зоне SCSC была использована форма для уплотнения грунта, разработанная на предприятии [26], как показано на Рисунке 3.
В этой статье в качестве переменных были выбраны длина стального корпуса L _SC и E _{SCSC_zone}. В таблице 2 приведены условия испытаний.
5 8
905
Название Длина стального корпуса L _SC (см) E _{SCSC_zone} (МПа10 905 905 905 9050 9050 9050 9050 9050 9050 9050 0 1.0 E _{Зона без SCSC}
CCFSTPs 8, 12, 16 и 20 1.1 E _{Non-SCSC_zone}
9 9 SCSC_zone , 1.2 E _{Non-SCSC_zone}, 1.3 E _{Non-SCSC_zone}, 1.4 E _{Non-SCSC_zone}, и 1.5 E _{Non-SCSC_zone}
Примечание .« E _{Non-SCSC_zone}» означает модуль сжатия массы грунта в зоне без SCSC.
2.2. Свойства материала
Поскольку монолитные сваи состоят из железобетона, трудно как можно скорее сформировать бетон с такой же прочностью, как у прототипа сваи. Поэтому аналогичные материалы будут использоваться для моделирования по критериям распознавания. Материал модели контролируется жесткостью на изгиб EI (модуль упругости и момент инерции), как показано в уравнении (1).В этом исследовании алюминиевая труба использовалась в качестве материала для обычной железобетонной сваи. В таблице 2 приведены характеристики тестовых свай. Поскольку модуль Юнга прототипа сваи составляет 18,7 ГПа, коэффициент подобия 100 доступен в соответствии с уравнением (1) и таблицей 3: где — модуль Юнга модели; — модуль Юнга прототипа; — момент инерции модели; — момент инерции прототипа; — коэффициент подобия; — внешний диаметр модели; — внутренний диаметр модели; диаметр прототипа.
уровень Длина сваи L Наружный диаметр D Толщина t 9050
Модуль упругости E 9106 ) Прототип (м) Модель (мм) Прототип (м) Модель (мм) Прототип (м)
100 350 3510 2.5 2 0,2 40,2
Четыре типовые сваи из композитных стальных трубчатых свай, заполненных бетоном, имеют те же материалы, что и обычные железобетонные сваи. Стальной кожух моделировался стальной трубой. В таблице 4 приведены характеристики стального кожуха.
906 испытанием на уплотнение (рис. 4 (а)), испытанием на содержание влаги (рис. 4 (б)) и испытанием на прямой сдвиг (рис. 4 (с)). Плотность определялась по массе и объему почвы. Модуль сжатия был получен путем испытания на уплотнение.Содержание влаги измеряли тестом на содержание влаги. Угол внутреннего трения и сила сцепления были рассчитаны с помощью испытания на прямой сдвиг. Результаты показаны в Таблице 5.
уровень Длина L _SC Наружный диаметр D Толщина
005 т
5 E 5 (см) Прототип (м) Модель (мм) Прототип (м) Модель (мм) Прототип (м)
100 20 905 20 905 30 3 2 0.2 164
16 16
12 12
8 8
Название Плотность ρ (г / см ³) Модуль упругости E _{Non-SCa зона _{Non-SCa )}} Влагосодержание ω (%) Когезия c (кПа) Угол внутреннего трения φ (°)
Loess 1 Loess 1 7 19,8 13,5 27 21
2.3. Прибор для проведения экспериментов
В этом исследовании использовалась геотехническая центрифуга типа TLJ-3 в университете Чанъань с эффективным радиусом вращения 2 м, как показано на рисунке 5. Максимальное центробежное ускорение составляет 200. Она имеет контейнер и Балансировочная емкость как балочная центрифуга. Размеры контейнера: длина 700 мм, высота 500 мм, ширина 360 мм.На центрифуге 40 каналов, по которым собранные данные могут передаваться на компьютер. Данное исследование удовлетворяет законам подобия [29]. Подробные соотношения подобия между моделью и прототипом показаны в таблице 6.
905 Длина 1 905 905 Напряжение 905 1
Параметр Отношение
Диаметр 1: n
Рабочий объем 1: n
Момент инерции 1: n ⁴
Force 1: n ²
Примечание .Центробежное ускорение = н ·. Для измерения деформации свай использовались
Тензорезисторы ВЭ120-3АА с коэффициентом чувствительности 2,0–2,2 и сопротивлением 120 Ом. Для обеспечения относительно высокой выживаемости тензодатчиков сопротивления после закопания в слой грунта, модельные сваи были разрезаны вдоль и шесть пар тензодатчиков были размещены с противоположных сторон с определенным интервалом на внутренней стене. После прикрепления тензодатчиков модели сваи были приклеены и восстановлены эпоксидной смолой, а положение тензодатчиков ствола сваи было размечено, как показано на рисунке 6.Поскольку глубина тела сваи в грунт 30 см, а длина сваи 35 см, положение первой группы тензодатчика находится на расстоянии 5 см от вершины сваи. От второй до пятой группы тензодатчиков расположены по длине стального корпуса. Для экономии количества тензодатчиков и отражения деформации у дна сваи шестая группа тензодатчиков расположена на расстоянии 2 см от дна сваи.
Алюминиевые трубы и стальные трубы были скреплены эпоксидной смолой, независимо от трения между ними.Наконец, наждачной бумагой была отполирована внешняя поверхность модельной сваи, чтобы ее несущие характеристики были более близки к реальной свае. К каждой свае прикреплялись колонные миниатюрные ячейки давления компрессионного типа BW11-1.2 (диаметр: 12 мм; разрешение: 1 με ; коэффициент чувствительности: (0,25 ± 0,01)%; диапазон: 0–1,2 МПа; точность: 0,001 МПа). через определенный интервал для измерения сопротивления грунта со стороны сваи. На рисунке 3 показано размещение тензодатчиков и ячеек давления грунта на CCFSTP.
2.4. Процедура испытания
Конкретные шаги заключаются в следующем, и основные процедуры испытания показаны на рисунке 7. (a) Чтобы гарантировать равномерную плотность почвы в контейнере, сожмите определенную массу почвы в определенный объем. В этом испытании плотность грунта составляет 1,7 г / см ³, и каждый слой почвы уплотняется до 2 см. Поскольку длина контейнера составляет 70 см, а ширина — 36 см, каждый слой почвы уплотняется до 5040 см ³, поэтому качество почвы, необходимое для каждого слоя, составляет 8568 г.Сначала взвесьте 8568 г почвы и поместите ее в полиэтиленовый пакет. Затем с помощью лопаты равномерно распределите почву по емкости. Наконец, используйте вибратор, чтобы сжать почву на 2 см. Затем просверлите отверстия в соответствии с положением сваи, как показано на рисунке 8. Глубина отверстия составляет 30 см. Отверстие было немного меньше диаметра сваи, что приближает осевое сопротивление между сваей и грунтом к фактическому значению. Наконец, стопку вдавливали в отверстие. (Б) Контейнер помещали в центрифугу.(c) Сначала реакционная рама была прикручена к контейнеру. Затем к каналу центрифуги были подключены ячейки давления почвы, тензодатчики и датчики смещения. (D) измерение уровня 100 g в течение пяти минут. (E) Данные были переданы в компьютер. (F) Повторите шаги, описанные выше. когда заканчивается одна загрузка. Горизонтальная нагрузка была достигнута путем добавления стальных пластин к погрузочной платформе (крюк на конце троса), а горизонтальная нагрузка была разделена на восемь уровней; нагрузка составляла 25 Н, 50 Н, 75 Н, 100 Н, 125 Н, 150 Н, 175 Н и 200 Н, как показано на Рисунке 9.

3. Результаты и обсуждение
3.1. CCFSTP Сопротивление грунта на стороне
Аналогичные закономерности можно наблюдать для изменения сопротивления грунта на стороне сваи с L _SC при различных горизонтальных нагрузках. Здесь и далее в качестве примера для анализа взяты условия испытаний с горизонтальной нагрузкой 150 Н. На рисунке 10 показаны закономерности изменения сопротивления грунта со стороны сваи с L _SC.

Сопротивление грунта со стороны сваи CCFSTP ниже, чем у обычного RCP на той же глубине, и сопротивление грунта со стороны сваи постепенно уменьшается по мере увеличения длины стальной обсадной трубы.Для CCFSTP сопротивление грунта со стороны сваи сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением глубины. Сопротивление грунта со стороны свай приближалось к нулю на глубине примерно 17 см от поверхности и возрастало по мере дальнейшего увеличения глубины. Это может указывать на то, что CCFSTP претерпел деформацию перегиба на глубине примерно 17 см от поверхности. По мере увеличения длины стальной обсадной трубы максимальное сопротивление грунта со стороны сваи CCFSTP постепенно снижалось. Максимальное сопротивление грунта со стороны сваи CCFSTP составляет 125.3 кПа, 123,0 кПа, 120,5 кПа и 118,1 кПа при длине стального корпуса 8 см, 12 см, 16 см и 20 см соответственно, что на 10,9%, 12,6%, 14,4% и 16,1% ниже, чем у обычные RCP соответственно. Это связано с тем, что по мере увеличения длины стального корпуса увеличивается жесткость CCFSTP. Кроме того, диаметр стального кожуха немного больше, чем размер ствола скважины, что оказывает экструзионное воздействие на грунт, а с увеличением длины стального кожуха площадь выдавливания стального кожуха и грунта увеличивается, и сваи становятся больше. может быть получено сопротивление почвы со стороны.Следовательно, глубина грунтового массива на стороне сваи, пораженной сваей, увеличивается, что приводит к снижению максимального сопротивления грунта на стороне сваи.
На рисунке 11 показаны закономерности изменения сопротивления грунта со стороны сваи с E _{SCSC_zone}.

По мере увеличения значений E _{SCSC_zone} сопротивление грунта со стороны сваи CCFSTP увеличивается. Однако сопротивление грунта со стороны свай CCFSTP остается ниже, чем у обычного RCP.Максимальные сопротивления грунта на стороне CCFSTP составляли 118,1 кПа, 120,8 кПа, 123,7 кПа, 125,6 кПа и 127,8 кПа при E _{SCSC_zone} = 1,1 E _{Non-SCSC_zone}, 1,2
E -SCSC_zone , 1.3 E _{Non-SCSC_zone}, 1.4 E _{Non-SCSC_zone} и 1.5 E _{Non-SCSC_zone}, соответственно, что составляет 16,1%, 14,1%, 12,1%, 10,7% , и на 9,2% ниже, чем у обычного RCP, соответственно.Это связано с тем, что по мере увеличения модуля массы грунта в зоне уплотнения грунта стальной обсадной трубы, масса грунта вокруг CCFSTP становится более плотной, а площадь грунта вокруг сваи, на которую воздействует свая, уменьшается, что приводит к увеличению максимальной сваи. -сторонняя устойчивость грунта.
3.2. Горизонтальная несущая способность CCFSTP
На рисунке 12 показаны кривые нагрузка-смещение и кривые градиента нагрузка-смещение CCFSTP при различных значениях л _SC.
Как показано на Рисунке 12, при одинаковом горизонтальном смещении, чем больше длина стального кожуха, тем большую нагрузку может выдержать свая. Кривые градиента нагрузки-смещения CCFSTP при различных значениях L _SC не содержат заметных точек перегиба, что указывает на отсутствие повреждений сваи. В результате невозможно определить предельную несущую способность сваи по точкам перегиба кривых. В этой статье предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP контролируется смещением.Горизонтальная нагрузка, соответствующая моменту, когда CCFSTP подверглась горизонтальному смещению на 0,4 мм, используется в качестве его предельной несущей способности [30]. Пусть будет степень воздействия на предельную горизонтальную несущую способность сваи. , где — предельная горизонтальная несущая способность обычной железобетонной сваи (RCP), а — предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP. На рисунке 13 показано, как предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP изменяется в зависимости от длины стального корпуса.

Как показано на Рисунке 13, предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP выше, чем у обычного RCP, и она увеличивается по мере увеличения значений L _SC. Предельная горизонтальная несущая способность RCP ( L _SC = 0 см) составляет 69,5 Н. Предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP составляет 78,9 Н, 83,7 Н, 85,4 Н и 85,8 Н при длине стального корпуса 8 см, 12 см, 16 см и 20 см соответственно. С увеличением длины стального кожуха постепенно увеличивается горизонтальная предельная несущая способность CCFSTP.Причина в том, что диаметр стального кожуха немного больше размера ствола скважины, что оказывает экструзионное воздействие на грунт, а с увеличением длины стального кожуха площадь выдавливания стального кожуха и грунта увеличивается и может быть получено большее сопротивление грунта со стороны сваи. Вышеупомянутый анализ показывает, что предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP увеличивалась в относительно большой степени по мере увеличения длины стального корпуса в пределах 12 см и что предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP продолжала увеличиваться по мере увеличения длины стального корпуса. более 12 см, хотя и в относительно небольшой степени.Когда длина стального кожуха составляет 8 см, предельная несущая способность увеличивается на 13,3%, что указывает на то, что наличие стального кожуха может улучшить предельную несущую способность. При длине стального корпуса 16 см увеличение предельной несущей способности составляет 22,7%. Это всего на 2,5% выше, чем у CCFSTP со стальным корпусом длиной 12 см. Это связано с тем, что, когда длина стального кожуха превышает определенное значение, увеличение длины стального кожуха мало влияет на горизонтальную несущую способность CCFSTP.
На рисунке 14 показаны кривые нагрузка-смещение и кривые градиента нагрузка-смещение CCFSTP при различных значениях E _{SCSC_zone}.
Как показано на рисунке 14, кривые градиента нагрузки-смещения CCFSTP при различных значениях E _{SCSC_zone} не содержат заметных точек перегиба, что указывает на то, что свая не была повреждена. Точно так же предельная несущая способность CCFSTP также контролируется горизонтальным смещением.Кроме того, из рисунка 14 также видно, что при одинаковом горизонтальном смещении, чем больше модуль массы грунта в зоне уплотнения грунта стальной обсадной трубы, тем большую нагрузку может выдержать свая. На рисунке 15 показан график изменения предельной горизонтальной несущей способности фундамента CCFSTP с E _{SCSC_zone}.

Как показано на рисунке 15, предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP выше, чем у обычного RCP, и она увеличивается с увеличением значений E _{SCSC_zone}.Предельная горизонтальная несущая способность RCP ( E _{SCSC_zone} = 1.0 E _{Non-SCSC_zone}) составляет 69,5 Н. Конечная горизонтальная несущая способность CCFSTP составляет 78,9 Н, 81,0 Н, 82,8 Н, 83,6 Н, и 84,4 N, когда значения E _{SCSC_zone} равны 1,1 E _{Non-SCSC_zone}, 1,2 E _{Non-SCSC_zone}, 1,3 E _{Non-SCSC_zone}, 1,4 5 Ezone , 1,4 5 SCSC_zone и 1.5 E _{Non-SCSC_zone} соответственно. С увеличением модуля массы грунта в зоне уплотнения грунта стальной обсадной колонны, горизонтальная предельная несущая способность CCFSTP постепенно увеличивается при постоянной длине стальной обсадной трубы. Основная причина заключается в том, что с увеличением модуля массы грунта в зоне вокруг CCFSTP почву вокруг CCFSTP нелегко сжать, и сопротивление грунта со стороны сваи увеличивается. Можно видеть, что предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP увеличилась в относительно большой степени, поскольку значения E _{SCSC_zone} увеличились в пределах 1.3 E _{Non-SCSC_zone} и что предельная горизонтальная несущая способность CCFSTP продолжала расти, поскольку значения E _{SCSC_zone} превысили 1,3 E _{Non-SCSC_zone}, хотя и в относительно небольшой степени. Когда значение E _{SCSC_zone} равно 1,1 E _{Non-SCSC_zone}, предельная несущая способность увеличивается на 13,3%, что указывает на то, что увеличение модуля упругости грунта вокруг сваи может улучшить предельную несущую способность.Когда значение E _{SCSC_zone} равно 1,4 E _{Non-SCSC_zone}, увеличение предельной несущей способности составляет 20,1%. Это всего на 1,1% выше, чем значение E _{SCSC_zone}, равное 1,3 E _{Non-SCSC_zone}. Это связано с тем, что, когда модуль упругости грунта вокруг сваи превышает определенное значение, увеличение модуля упругости грунта вокруг сваи мало влияет на горизонтальную несущую способность.
3.3. Изгибающий момент CCFSTP
На рисунке 16 показано правило изменения изгибающего момента CCFSTP с L _SC.

Из рисунка 16 видно, что на той же глубине с увеличением длины стального кожуха максимальный изгибающий момент CCFSTP постепенно увеличивается. И для RCP, и для CCFSTP с L _SC 8 см изгибающий момент сначала увеличивался, а затем уменьшался в продольном направлении по мере увеличения глубины. Кроме того, на определенной глубине изгибающий момент начал резко уменьшаться, а после достижения нуля стал отрицательным, а со временем стал нулевым.Это указывает на то, что при длине стальной обсадной трубы 8 см свая претерпевает деформацию перегиба в продольном направлении на определенной глубине. Более того, когда длина стальной обсадной трубы превышает 12 см, изгибающий момент сваи сначала увеличивается, а затем уменьшается в направлении длины, а затем резко уменьшается на определенной глубине, но не становится отрицательным по мере того, как глубина продолжает увеличиваться. По мере увеличения длины стальной обсадной трубы положение поперечного сечения сваи, в котором возникает ее максимальный изгибающий момент, смещается вниз.Основная причина аналогична анализу в разделе 3.1: с увеличением длины стального кожуха увеличивается площадь выдавливания стального кожуха и увеличивается сопротивление грунта со стороны сваи. Кроме того, по мере увеличения длины стального корпуса увеличивается жесткость CCFSTP, поэтому положение, в котором возникает максимальный изгибающий момент, смещается вниз.
На рис. 17 показано правило изменения максимального изгибающего момента CCFSTP и положение поперечного сечения CCFSTP, в котором возник его максимальный изгибающий момент при увеличении L _SC.

Как показано на Рисунке 17, максимальный изгибающий момент CCFSTP увеличивается по мере увеличения длины стального кожуха. Максимальный изгибающий момент CCFSTP составляет 24,7 Н · м, 27,1 Н · м, 27,8 Н · м и 28,0 Н · м при длине стального корпуса 8 см, 12 см, 16 см и 20 см соответственно, что на 16,5%, 27,8%, 31,1,5% и 32,1% выше, чем у обычных RCP. Очевидно, что при длине стального кожуха менее 12 см длина стального кожуха относительно существенно влияет на максимальный изгибающий момент CCFSTP; влияние длины стального корпуса на максимальный изгибающий момент CCFSTP уменьшается по мере того, как длина стального корпуса превышает 12 см.По мере увеличения длины стального кожуха положение поперечного сечения CCFSTP, в котором возникает его максимальный изгибающий момент, медленно перемещается вниз. Это говорит о том, что положение поперечного сечения CCFSTP, при котором возникает его максимальный изгибающий момент, незначительно зависит от длины стального кожуха после того, как длина стального кожуха достигает определенного значения. Это связано с тем, что, когда длина стального кожуха превышает определенное значение, увеличение длины стального кожуха мало влияет на максимальный изгибающий момент CCFSTP.
На рисунке 18 показано правило изменения изгибающего момента CCFSTP с E _{SCSC_zone}.

Подобные закономерности можно наблюдать на рисунке 18 для изменений изгибающего момента CCFSTP и обычного RCP в направлении длины. Изгибающий момент сначала увеличивается, затем уменьшается и на определенной глубине начинает резко уменьшаться; он становится отрицательным после достижения нуля и в конечном итоге уменьшается до нуля. Изгибающий момент CCFSTP больше, чем у обычного RCP при том же поперечном сечении.Для CCFSTP при той же длине стального кожуха его максимальный изгибающий момент постепенно уменьшался по мере увеличения модуля массы грунта в зоне уплотнения грунта стального кожуха. Основная причина заключается в том, что с увеличением модуля массы грунта в зоне грунт вокруг CCFSTP нелегко сжать, и сопротивление грунта со стороны свай увеличивается. На рисунке 19 показано правило изменения максимального изгибающего момента CCFSTP и положение поперечного сечения CCFSTP, при котором возникает максимальный изгибающий момент при увеличении E _{SCSC_zone}.

По мере увеличения значений E _{SCSC_zone} максимальный изгибающий момент CCFSTP уменьшается, но остается больше, чем у обычного RCP. Максимальный изгибающий момент CCFSTP составляет 24,7 Н · м, 23,8 Н · м, 23,0 Н · м, 22,2 Н · м и 21,6 Н · м, когда модуль массы грунта в зоне уплотнения грунта стального кожуха составляет 1,1 E _{Зона не SCSC}, 1.2 E _{Зона не SCSC}, 1,3 E _{Зона не SCSC}, 1.4 E _{Non-SCSC_zone} и 1,5 E _{Non-SCSC_zone}, соответственно, что на 16,5%, 12,3%, 8,5%, 4,7% и 1,9% выше, чем у обычного RCP, соответственно. Более того, по мере увеличения E _{SCSC_zone} положение поперечного сечения CCFSTP, в котором возникает его максимальный изгибающий момент, перемещается вверх. Однако из-за наличия стального кожуха местоположение максимального изгибающего момента остается ниже местоположения поперечного сечения обычного RCP, при котором возникает его максимальный изгибающий момент.Это говорит о том, что изменения в E _{SCSC_zone} не оказывают значительного влияния на расположение поперечного сечения CCFSTP, где возникает его максимальный изгибающий момент. Это происходит главным образом потому, что, когда модуль массы грунта в зоне уплотнения грунта стальной обсадной трубы превышает определенное значение, грунт вокруг CCFSTP трудно продолжать сжиматься, а увеличение модуля упругости грунта мало влияет на максимальный изгиб. момент CCFSTP.
3.4. Расчет оптимального армирования для CCFSTP и его проверка на основе инженерной конструкции
Приведенный выше анализ показывает, что сопротивление изгибу CCFSTP выше, чем у обычного RCP.Однако при проектировании свайного фундамента влияние стальной оболочки на сопротивление сваи изгибу не принимается во внимание; вместо этого стальной кожух рассматривается только как запас прочности, что, очевидно, неразумно. Следовательно, необходимо проанализировать оптимальную конструкцию армирования для CCFSTP.
Для обычного RCP — круглого эксцентрикового компрессионного элемента с однородной окружной арматурой — когда количество продольных арматур составляет не менее шести, продольную арматуру можно преобразовать в эквивалентное стальное кольцо с общей площадью (является поперечным площадь сечения одиночной продольной арматуры n ( — количество продольной арматуры) и радиусом [31].
Примем за радиус поперечного сечения свайного фундамента (т.е. расчетный радиус) и как расстояние между центром толщины стенки эквивалентного стального кольца и центром поперечного сечения (то же, что и расстояние между центром продольной арматуры и центром поперечного сечения). Тогда толщина стального кольца, эквивалентная продольной арматуре, определяется как отношение продольной арматуры () и отношение радиуса эквивалентного стального кольца к расчетному радиусу свайного фундамента ().
Подобно расчету сопротивления изгибу путем преобразования продольной арматуры в эквивалентное стальное кольцо, стальной кожух в CCFSTP также может быть преобразован в эквивалентное стальное кольцо с радиусом r _s в том же месте в качестве продольной арматуры, основанной на принципе эквивалентности сопротивления поперечному изгибу. Таким образом, стальной корпус и продольная арматура могут быть включены в расчет сопротивления изгибу свайного фундамента, что обеспечит основу для оптимального проектирования арматуры для CCFSTP.На рисунке 20 показан метод преобразования стального кожуха в эквивалентное стальное кольцо.
Основываясь на том принципе, что сопротивление поперечному сечению стального кожуха равняется сопротивлению эквивалентного стального кольца, мы имеем где и — модули упругости стального кожуха и продольной арматуры, соответственно (Па), и — моменты инерции стального кожуха и продольной арматуры относительно центра поперечного сечения соответственно (м ⁴).
Для каждого стального кожуха и эквивалентного стального кольца толщина стенки намного меньше, чем расстояние между его центром и центром поперечного сечения (). Таким образом, где — расстояние между центром толщины стенки стального кожуха и центром поперечного сечения (м), — это расстояние между центром толщины стенки эквивалентного стального кольца и центром поперечного сечения. (м), — толщина стенки стального кожуха (м), и — толщина стенки стального кольца, эквивалентная стальному кожуху (м).
Подставляя уравнение (4) в уравнение (3), мы получаем где — отношение радиуса эквивалентного стального кольца к радиусу стального кожуха (). Где — количество продольной арматуры, эквивалентной стальному кожуху, равно площадь поперечного сечения стального кольца, эквивалентного стальному кожуху (² м), является радиусом продольной арматуры (м), а остальные параметры имеют то же значение, что описано ранее.
Как показано в уравнении (6), в системе несущей конструкции CCFSTP стальной корпус с модулем упругости, толщиной стенки и радиусом играют ту же роль, что и количество продольной арматуры с модулем упругости. и радиусом.Исходя из этого, продольное армирование может быть разумно оптимизировано для свайных фундаментов.
3.5. Пример из практики
CCFSTP широко используются в качестве фундамента моста на скоростной автомагистрали Гуанчжоу-Цзянмэнь. На примере свайного фундамента FY3 # -0 моста Фучжоу на участке Цзяннань участка TJ05 скоростной автомагистрали Гуанчжоу-Цзянмэнь. FY3 # -0 CCFSTP содержит продольные стержни одного типа и диаметра, но трех разных длин по длине сваи (см. Таблицу 7).
5 753
Длина сваи (см) Диаметр сваи (м) Количество стержней Количество Диаметр (мм) Длина (см) Количество стержней Общая длина (м)
6300 1,5 4 1 25 6419,7 7 449,4
449,4
8 289,9
3 25 2624,3 15 393,6
и, следовательно, его стальной корпус в некоторой степени корродирован. Следовательно, необходимо учитывать влияние коррозии на стальной корпус. Согласно Спецификации свайных фундаментов портового строительства [32] и Спецификации проектирования автомобильных дорог, железобетонных и предварительно напряженных бетонных мостов и водопропускных труб [33], скорость коррозии равна 0.03 мм / год можно использовать для металлоконструкций в речных портах. При расчетном сроке службы 100 лет толщина стального кожуха составляет 3 мм как запас прочности от коррозии. Таким образом, при расчете сопротивления свайного фундамента на горизонтальный изгиб следует вычесть вклад этих 3 мм толщины стального кожуха.
На основе уравнения (6) можно рассчитать количество продольных стержней, эквивалентных стальному кожуху в свайном фундаменте. Подставив E ₁ = 2.05 × 10 ⁵ МПа, E ₂ = 2 × 10 ⁵ МПа, r ′ = 0,9 м, r _с = 0,64 м, r ₀ = 0,0125 м , и t _s = 0,007 м в уравнение (6), получаем
. На основании приведенного выше расчета сопротивление изгибу FY3 # -0 CCFSTP, обеспечиваемое встроенным стальным кожухом, эквивалентно предусмотренному 163 продольных стержня диаметром 25 мм. Это указывает на то, что стальной кожух может обеспечить достаточное сопротивление изгибу свайному фундаменту.Следовательно, конструктивная арматура должна быть рассчитана для CCFSTP с минимальным коэффициентом армирования 0,5% в соответствии с Техническими условиями для железобетона для автомагистралей и предварительно напряженных бетонных мостов и водопропускных труб, обеспечивая при этом достаточную эффективную толщину стенок стального корпуса [33].
FY3 # -0 имеет диаметр D 1,5 м. Для конструкции арматуры, основанной на минимальном коэффициенте армирования 0,5%, количество упомянутых выше продольных стержней составляет
Учитывая, что стальной кожух в основном расположен в верхней части свайного фундамента, принцип оптимизации армирования снижает необходимо использовать количество относительно коротких продольных стержней.Основываясь на фактическом армировании в FY3 # -0 CCFSTP (Таблица 8), было определено, что необходимо оптимизировать только арматурные стержни № 3 в исходной конструкции. В итоге снято 12 прутков № 3. В результате удалось сэкономить арматуру общей длиной 314,9 м.
Модуль упругости стального корпуса E ₁ (× 10 ⁵ МПа) Модуль упругости арматуры 1045 E _МПа) Радиус стального кожуха r ′ (см) Эффективная толщина стенки стального кожуха т (мм) Радиус арматуры r ₀ (мм) Радиус эквивалентного стального кольца r _s (см)
2.05 2 90 7 12,5 64
4. Выводы
Конечная горизонтальная несущая способность CCFSTP в некоторой степени выше, чем обычного RCP. Чем длиннее стальной корпус, тем меньше максимальное сопротивление грунта со стороны сваи. По мере увеличения модуля массы грунта в зоне уплотнения грунта стальной обсадной трубы максимальное сопротивление грунта со стороны сваи увеличивается.Когда масса грунта со стороны сваи относительно мягкая, увеличение длины стальной обсадной трубы может компенсировать недостаток сопротивления грунта со стороны сваи. Максимальный изгибающий момент CCFSTP больше, чем у обычного RCP. Чем длиннее стальной корпус, тем больше максимальный изгибающий момент CCFSTP и тем ниже положение поперечного сечения CCFSTP, при котором возникает максимальный изгибающий момент. Чем больше значение E _{SCSC_zone}, тем меньше максимальный изгибающий момент CCFSTP и тем выше положение поперечного сечения CCFSTP, при котором возникает максимальный изгибающий момент.
Уравнение оптимизации продольного армирования для CCFSTP получено на основе теоретического вывода, который обеспечивает теоретические рекомендации по разумному армированию свайных фундаментов. Из-за наличия стального корпуса CCFSTP имеет чрезмерное сопротивление изгибу. Чтобы сэкономить на инвестициях в проект, можно спроектировать оптимальное армирование, используя уравнение оптимизации армирования для свай, чтобы уменьшить количество продольных стержней внутри сваи, обеспечивая при этом достаточное сопротивление сваи на изгиб.
Доступность данных
Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.
Благодарности
Исследование было поддержано Программой ключевой транспортной науки и технологий провинции Гуандун в рамках гранта No. 2011-01-001. Авторы также хотели бы выразить свою огромную признательность Чэньсинь Си за помощь в разработке экспериментов и Ханчжоу Су за доработку и доработку рукописи.
Бамбук помогает сделать бетон прочнее и экологичнее
Стальной бетон — самый распространенный строительный материал в мире, и развивающиеся страны используют около 90% цемента и 80% стали, потребляемой в мировом строительном секторе . Однако очень немногие развивающиеся страны имеют возможность или ресурсы для производства собственной стали или цемента. Например, из 54 африканских стран только две производят сталь. Остальные 52 страны конкурируют на мировом рынке за этот все более дорогой и, казалось бы, незаменимый материал.
Но, по мнению Future Cities Laboratories, сталь незаменима. Есть материальная альтернатива, которая растет в тропической зоне нашей планеты, области, которая близко совпадает с развивающимся миром: бамбук. Бамбук принадлежит к семейству травянистых растений, чрезвычайно устойчив к растягивающим нагрузкам и поэтому является одним из самых универсальных продуктов природы. Это связано с тем, как трава эволюционировала, адаптируясь к таким естественным силам, как ветер. В отличие от дерева, стебель или ботва бамбука, которые в ботанике обозначают стебель травы, тонкие и полые.Это позволяет ему двигаться с ветром, в отличие от дерева, которое пытается просто противостоять любым природным силам, которым оно подвергается. Это приспособление для гибкости движений потребовало от природы создания очень легкого, но устойчивого к растяжению волокна в бамбуковой стебле, которое способно изгибаться без разрушения в экстремальных условиях. По своей способности противостоять растягивающим усилиям бамбук превосходит древесину и даже арматурную сталь.
Бамбук уже много лет используется в строительстве. Учитывая его выдающиеся свойства при растяжении, замена стальной арматуры в железобетоне на бамбук представляет большой интерес для многих архитекторов, которые придерживаются экологического мышления.
Однако естественная форма бамбука создает много проблем, когда его используют в качестве арматуры в бетоне. Бамбук, если его не лечить, может набухнуть от воды и сгнить. Усадка и долговечность являются одними из недостатков использования натурального бамбука в конструкционном бетоне, что приводит к его отделению от матрицы бетона. В результате он не использовался для армирования бетона с большим успехом — по крайней мере, до сих пор
Чтобы преодолеть эти проблемы, новый композитный материал из бамбука был разработан на кафедре архитектуры и строительства профессором Дирком Э.Hebel, обладающий высокой прочностью на растяжение и долгое время работающий в бетонной матрице. Этот прочный и универсальный материал может служить эффективной заменой стали в железобетоне.
Вместо того, чтобы использовать бамбук в его естественном трубчатом состоянии, как это обычно бывает, метод Хебеля сначала извлекает натуральные волокна растений, а затем объединяет их с органической смолой. Этот композитный материал, получивший название BambooTECH, очень универсален и поддается инструментам и манипуляциям в нем. аналогично древесине после придания ей формы.При изготовлении тонких стержней композитный материал можно использовать в качестве армирующей структурной матрицы для бетона так же, как и сталь.
Выступая на Всемирном архитектурном фестивале в Сингапуре в прошлом году, Хебель сказал, что использование бамбука вместо стали может «произвести революцию в нашей строительной индустрии и, наконец, предоставить альтернативу монополии на железобетон».
«Прочность материала на растяжение вызвала у нас интерес как архитекторов и инженеров и вдохновила нас на изучение возможности извлечения волокна из натурального бамбука, превращения его в управляемый промышленный продукт и внедрения его в качестве жизнеспособного строительного материала, альтернативы стали. и древесина.Бамбуковый композитный материал можно производить в любой из знакомых форм и форм, в которых производятся сталь и древесина. Подобно им, материал можно использовать для возведения стеновых конструкций домов или любых других построек. Что еще более интересно, его можно использовать для конкретных применений, которые лучше всего используют предел прочности материала на разрыв, например, для систем армирования в бетоне или балок для потолков и конструкций крыш ».
Бамбук обладает некоторыми из тех же преимуществ устойчивости, что и древесина, при использовании в качестве строительного материала, потому что как форма растительного вещества это полностью возобновляемый ресурс, который можно быстро восполнить с помощью естественных процессов.Он растет намного быстрее, чем древесина, обычно доступен в больших количествах и его легко достать. Он также известен своей непревзойденной способностью улавливать углерод и поэтому может сыграть важную роль в сокращении выбросов углерода во всем мире — еще одно преимущество для развивающихся стран в свете торговли сертификатами выбросов углерода. Просто с экономической точки зрения материал должен заинтересовать большинство развивающихся стран. Это могло бы укрепить местные производственно-сбытовые цепочки, обеспечить рабочие места и торговлю в этих странах и снизить их зависимость от международных рынков.
У него есть свои преимущества по сравнению с древесиной, так как его собирают с травяных растений, а не с деревьев. В отличие от древесины, сбор бамбука не уничтожает растение, которое его произвело, потому что корневая система не затрагивается в почве.
Это означает, что бамбук не нужно пересаживать, как деревья после сбора урожая, поскольку корневая система остается в почве, где он продолжает давать новые побеги.
Лаборатория городов будущего также изучает способы производства строительных материалов из отходов и песка.
10 причин использовать сталь в жилищном строительстве
1. Сила, красота, свобода дизайна
Steel предлагает архитекторам больше свободы в выборе цвета, текстуры и формы. Его сочетание прочности, долговечности, красоты, точности и пластичности дает архитекторам более широкие возможности для изучения идей и разработки новых решений. Благодаря большой пролегающей способности стали образуются большие открытые пространства, свободные от промежуточных колонн или несущих стен. Его способность изгибаться до определенного радиуса, создавая сегментированные кривые или комбинации произвольной формы для фасадов, арок или куполов, отличает его от других.Готовая на заводе к самым строгим спецификациям в строго контролируемых условиях, конечный результат стали более предсказуем и повторяем, что исключает риск нестабильности на месте.
2. Быстрый, эффективный, находчивый
Сталь
можно быстро и качественно собрать в любое время года. Компоненты предварительно изготавливаются вне строительной площадки с минимальными трудозатратами на месте. Целый каркас может быть возведен за несколько дней, а не недель, с соответствующим сокращением времени строительства на 20-40% по сравнению со строительством на месте, в зависимости от масштаба проекта.Для индивидуальных жилищ на более сложных участках сталь часто позволяет меньше точек соприкосновения с землей, что сокращает объем необходимых земляных работ. Меньший вес конструкционной стали по сравнению с другими материалами каркаса, такими как бетон, позволяет построить более простой и компактный фундамент. Такая эффективность исполнения означает значительную эффективность использования ресурсов и экономические выгоды, включая ускорение сроков выполнения проектов, снижение затрат на управление площадкой и более раннюю окупаемость инвестиций.
3.Адаптируемый и доступный
В наши дни функции здания могут резко и быстро измениться. Арендатор может захотеть внести изменения, которые значительно увеличивают нагрузку на пол. Возможно, потребуется изменить положение стен, чтобы создать новую планировку интерьера, основанную на различных потребностях и использовании пространства. Металлоконструкции могут адаптироваться к таким изменениям. Некомпозитные стальные балки могут быть составлены из существующей плиты перекрытия, к балкам добавляются накладки для увеличения прочности, балки и балки легко укрепляются и дополняются дополнительным каркасом или даже перемещаются для поддержки измененных нагрузок.Стальные каркасы и системы пола также обеспечивают легкий доступ и изменения существующей электропроводки, компьютерных сетевых кабелей и систем связи.
4. Меньше колонн, больше открытого пространства
Стальные профили представляют собой элегантный и экономичный способ перекрытия больших расстояний. Удлиненные стальные пролеты могут создавать большие внутренние пространства открытой планировки без колонн, и многие клиенты теперь требуют шага сетки колонн более 15 метров. В одноэтажных зданиях рулонные балки обеспечивают пролет более 50 метров.Ферменная или решетчатая конструкция позволяет увеличить ее до 150 метров. Сведение к минимуму количества столбцов упрощает разделение и настройку пространств. Построенные из стали здания часто более адаптируемы, с большим потенциалом внесения изменений со временем, продлевающих срок службы конструкции.
5. Бесконечная переработка
При сносе здания со стальным каркасом его компоненты можно повторно использовать или направить в замкнутую систему рециркуляции сталелитейной промышленности для переплавки и перепрофилирования.Сталь можно перерабатывать бесконечно без потери свойств. Ничего не теряется. Сталь экономит использование природного сырья, поскольку около 30% современной новой стали уже производится из переработанной стали.
6. Добавлена огнестойкость
Обширные испытания стальных конструкций и готовых стальных конструкций позволили отрасли получить полное представление о том, как стальные здания реагируют на огонь. Современные методы проектирования и анализа позволяют точно определить требования к противопожарной защите зданий со стальным каркасом, что часто приводит к значительному сокращению требуемой противопожарной защиты.
7. Сейсмостойкость
Землетрясения непредсказуемы по величине, частоте, продолжительности и местоположению. Сталь — это предпочтительный материал для дизайна, потому что он по своей природе пластичный и гибкий. Он прогибается при экстремальных нагрузках, а не раздавливается или крошится. Многие соединения балок с колоннами в стальном здании предназначены в основном для того, чтобы выдерживать гравитационные нагрузки. Тем не менее, они также обладают значительной способностью противостоять боковым нагрузкам, вызываемым ветром и землетрясениями.
8. Эстетика, функция соответствия
Тонкий каркас
Steel создает ощущение открытости в зданиях. Его гибкость и пластичность вдохновляют архитекторов преследовать и достигать своих целей с точки зрения исследования отличительных форм и текстур. Эти эстетические качества дополняются функциональными характеристиками стали, включая ее исключительную растяжимость, стабильность размеров во времени, способность гасить акустический шум, бесконечную возможность вторичной переработки, а также скорость и точность, с которыми она изготавливается и собирается на месте с минимальными трудозатратами.
9. Больше полезного пространства, меньше материалов
Способность стали
максимально увеличивать пространство и внутреннюю ширину с максимально тонкой оболочкой означает получение более тонких и меньших структурных элементов. Глубина стальных балок примерно вдвое меньше, чем у деревянных балок, что обеспечивает большее полезное пространство, меньше материалов и более низкие затраты по сравнению с другими материалами. Толщина стен может быть меньше, потому что прочность стали и отличная перекрывающая способность означают, что нет необходимости строить прочные, занимающие много места кирпичные стены.Это может быть особенно актуально для сильно ограниченных площадок, где свойства стали экономить пространство могут быть ключом к решению пространственных проблем.
10. Легче и менее вредно для окружающей среды
Стальные конструкции могут быть значительно легче, чем их аналоги из бетона, и требуют менее обширного фундамента, что снижает воздействие здания на окружающую среду. Меньшее количество и более легкие материалы означают, что их легче перемещать, что сокращает транспортировку и расход топлива. Фундаменты из стальных свай, если требуется, могут быть извлечены и переработаны или повторно использованы в конце срока службы здания, не оставляя отходов на строительной площадке.Сталь также является энергоэффективной, поскольку тепло быстро исходит от стальной кровли, создавая более прохладную домашнюю среду в регионах с жарким климатом.

Арматура композитная или железная – какую лучше выбрать?

Плюсы пластикового и металлического материала

Применение арматуры

Характеристики металлической и стекплопластиковой арматуры

Арматура композитная или железная ???? какая лучше для фундамента: какую выбрать?

Расчет толщины сечения

Поперечная и вертикальная

Продольная

Пример

Виды и марки арматуры

Таблица замены арматур

Количество метров арматуры в 1 тонне

Количество килограммов арматуры в 1 километре

Расчет для свайного основания

Соединение арматуры

Армирование при возведении ленточного фундамента

Армирование при строительстве буронабивного основания

Армирование для плитного фундамента

Виды арматуры

Материалы

Вес: сравнительная таблица

Related Posts via Categories

Немного о технологии связки

Сколько нужно прутка

Композитная арматура

Композитная арматура

Равнопрочная замена стальной и композитной арматуры

Стеклопластиковая арматура для фундамента: отзывы специалистов

Почему появилась стеклопластиковая арматура на строительном рынке

Отзывы специалистов, преимущества и недостатки композитной нитки

Использование стеклопластикового прутка в фундаменте

Варианты применения стеклоарматуры

Заключение

Стоит ли доверять композитной арматуре

Какая бывает композитная арматура

Как правильно укладывать композитную арматуру

Что лучше: композитная или стальная арматура?

Композитная арматура по сравнению со стандартной стальной арматурой

Проблема с железобетоном

Экологические затраты на реконструкцию

Что нужно знать

1. Прочность

2. Прочность

3. Огнестойкость

4. Устойчивое развитие

5. Стоимость

Композитная конструкция — SteelConstruction.info

[вверх] Проектирование композитных элементов и систем

[наверх] Как и почему работают композитные конструкции

[вверх] Виды составной балки

[вверх] Балка перекрытий

[вверх] Решения с большим пролетом

[наверх] Решения для неглубоких полов

[вверх] Композитные плиты

[вверх] Композитные колонны

[вверх] Композитные соединения

[вверх] Список литературы

[вверх] Дополнительная литература

[вверх] Ресурсы

[вверху] См. Также

[вверх] Внешние ссылки

Горизонтальная несущая способность композитных заполненных бетоном стальных трубчатых свай

1. Введение

2. Экспериментальное исследование

2.1. Физическая модель

5 8

2.2. Свойства материала

005 т

2.3. Прибор для проведения экспериментов

2.4. Процедура испытания

3. Результаты и обсуждение

3.1. CCFSTP Сопротивление грунта на стороне

3.2. Горизонтальная несущая способность CCFSTP

3.3. Изгибающий момент CCFSTP

3.4. Расчет оптимального армирования для CCFSTP и его проверка на основе инженерной конструкции

3.5. Пример из практики

4. Выводы

Доступность данных

Конфликт интересов

Благодарности

6. Добавлена огнестойкость