CONSTRUCTION OF PLATES FOR LINING IRRIGATION CHANNELS OF RECLAMATION SYSTEMS USING COMPOSITE REINFORCEMENT

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛИТ ДЛЯ ОБЛИЦОВКИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ

Научная статья

Арьков Д.П.^1, *, Сухов А.А.², Никифорова Д.Н.³, Антясова Е.А.⁴, Жихарев А.Г.⁵

¹ ORCID: 0000-0001-5675-351X;

² ORCID: 0000-0002-7600-752X;

³ ORCID: 0000-0002-7266-9796;

⁵ ORCID: 0000-0002-0039-0761;

^{1, 2, 3, 4, 5} Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук, Волгоград, Россия

* Корреспондирующий автор (arkov-d[at]vfanc.ru)

Аннотация

В работе рассмотрена возможность замены стальной напряженной арматуры в железобетонных канальных плитах на композитную стеклопластиковую. Стальная арматура в конструкциях со временем подвергается коррозии, теряет свойства, данные обстоятельства приводят к потере эксплуатационных свойств конструкции. Композитная арматура обладает рядом преимуществ перед стальной, однако есть и отрицательные свойства, например деформация стеклопластика составляет до 2,8%, а металла 25%. В этой связи актуальной является задача разработки и проверки теоретическим расчетом конструкций плит для облицовки оросительных каналов мелиоративных систем с использованием в качестве напряженной композитной неметаллической арматуры. На примере доказана возможность использования неметаллической композитной арматуры в качестве рабочей напряженной арматуры плиты канальной.

Ключевые слова: водопроводящие сооружения, мелиоративные системы, расчёт на прочность, плиты, композитная арматура, напряжения.

CONSTRUCTION OF PLATES FOR LINING IRRIGATION CHANNELS OF RECLAMATION SYSTEMS USING COMPOSITE REINFORCEMENT

Research article

Arkov D.P.^1, *, Sukhov A.A.², Nikiforova D.N.⁴, Antyasova E.A.⁴, Zhikharev A.G.⁵

¹ ORCID: 0000-0001-5675-351X;

² ORCID: 0000-0002-7600-752X;

³ ORCID: 0000-0002-7266-9796;

⁵ ORCID: 0000-0002-0039-0761;

^{1, 2, 3, 4, 5} Federal Scientific Center of Agroecology, Integrated Land Reclamation and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences, Volgograd, Russia

* Corresponding author (arkov-d[at]vfanc.ru)

Abstract

The current article examines the possibility of replacing steel stressed reinforcement in reinforced concrete channel plates with composite fiberglass. Steel reinforcement in structures undergoes corrosion over time, loses properties, these circumstances lead to the loss of operational properties of structures. Composite reinforcement has a number of advantages over steel, but there are also negative properties, for example, the deformation of fiberglass is up to 2.8%, while metal is 25%. In this regard, the task of developing and testing by theoretical calculation of plate designs for lining irrigation channels of reclamation systems using non-metallic composite reinforcement as a stressed one can be considered urgent. The possibility of using non-metallic composite reinforcement as a working stressed reinforcement of a hollow-core slab is proved by example.

Keywords water supply structures, reclamation systems, strength calculation, plates, composite reinforcement, stresses.

Введение

Оросительные каналы выполняют важнейшую функцию системы полива, а именно транспортировку воды к орошаемым землям. Однако необходимо отметить, что оросительные каналы, построенные в 60-80 годы прошлого века, имеют высокий физический и моральный износ. Возрастающий износ каналов приводит к ежегодному увеличению затрат на текущий ремонт, что в свою очередь требует более совершенных и экономичных вариантов их восстановления [1].

Использование стальной арматуры регулируется ГОСТами и СНиПами, так как со временем она подвергается коррозии, её механические свойства снижаются, что в свою очередь приводит к потере эксплуатационных свойств конструкции. Арматура из композита не подвержена коррозии. Однако появление трещин в бетоне не является только следствием коррозии. При усилии на разрыв деформация стеклопластика составляет до 2,8%, а металла - 25%.

На сегодняшний день совершенствование конструкций для облицовки мелиоративных систем за счёт применения новых материалов – перспективная задача в области мелиорации. В этой связи актуальной является задача разработки и расчета конструкций плит для облицовки оросительных каналов мелиоративных систем и использованием в качестве напряженной композитной неметаллической арматуры.

Целью разработки новых типов плит для облицовки оросительных каналов мелиоративных систем являлось снижение их стоимости и увеличение несущей способности, на основе теоретического и экспериментального изучения их работы.

Возможность применения неметаллической композитной арматуры (НКА) в конструкциях ограничивается температурой стеклования полимерной матрицы (температурой, при которой полимерная матрица необратимо меняет свои физико-механические свойства). Температура стеклования для НКА зависит от типа матрицы и находится в диапазоне от 70 до 175 градусов [7], [8], [9]. Данная проблема не является актуальной для конструкций мелиоративных каналов.

Для НКА коэффициент надежности по материалу установлен только в европейских нормах. В итальянских нормах CNR-DT 203 установлено значение коэффициента γ=1,5 для расчетов по первому предельному состоянию и 1,0 для второго. В бюллетене fib и ModelCode 2010 предложено для первого предельного состояния принимать значение коэффициента надежности γ не менее 1,25. В нормах ACI коэффициент γ_R как таковой отсутствует, однако нормативное (гарантированное производителем) значение определяется с обеспеченностью 0,9986 (3σ), при этом дополнительно учитывается обобщенный коэффициент надежности (запаса) φ=0,5-0,7.

Методы и принципы исследования

Для исследования возможности применения НКА рассмотрена плита марки ПКН60.20, форма и размеры плиты, а также её показатели материалоемкости приняты в соответствии с [2], [3], таблица 1.

Определение прочности и трещиностойкости плит по достижении бетоном прочности на сжатие в проектном возрасте выполняют нагружением по [4].

 

Таблица 1 – Показатели материалоемкости плиты ПКН60.20

Марка плиты	Основные размеры плиты, м				Расход материала		Масса плиты (справочная), т
	l	b	a1	a2	Бетон, м	Сталь, кг
ПКН60.20	6000	2000	1250	1350	0,72	29,7	1,80

 

Бетон тяжелый класса В22,5 (R_b = 12,5МПа), напрягаемая арматура класса Вр-II (R_s = 1045МПа), 7 стержней в нижней части, 6 с верху.

Схема опирания и загружения плиты при испытании ее нагружением приведена на рисунке 1 [5].

Рис. 1 – Схема загружения плиты при испытании:

 1 – теоретическая схема нагрузки; 2 – нагрузка; 3 – подвижная опора; 4 – неподвижная опора

 

Контрольная нагрузка при испытании плиты на прочность и трещиностойкость q = 1,62 кПа (165 кг/м²), нагрузка при определении ширины раскрытия трещин плиты равна 85% контрольной. Контрольная ширина раскрытия трещин при испытании плиты по трещиностойкости не должна превышать 0,2 мм. Положение стержней напрягаемой арматуры и арматурных каркасов представлено на рисунке 2.

Рис. 2 – Армирование плиты ПКН60.20, продольный разрез

  Спецификация и выборка напрягаемой арматуры на одну плиту приведены в таблице 2.  

Таблица 2 – Спецификация и выборка напрягаемой арматуры на одну плиту

Марка плиты	Позиция	Диаметр, мм	Длина, мм	Количество	Масса, кг
					одной позиции	всего
ПКН60.20	1	5ВрII	6140	13	0,95	12,35

 

Напряжения в напрягаемой арматуре, контролируемые по окончании натяжения 804,1МПа. Для нахождения изгибающего момента и поперечной силы при расчёте необходимо учитывать собственный вес плиты, определяемый по формуле 1, где γ_b – удельный вес железобетона, b – длина плиты, h – ширина, γ_f – коэффициент надежности по нагрузке.

qconstr = γb×b×h×γf = 25кН/м3×2м×0,06м×1,1 = 3,3кН/м

(1)

Суммарная нагрузка на плиту будет определяться по формуле 2:

q = qconstr + qисп = 3,24 + 3,3 = 6,54 кН/м

(2)

Используя известные выражения строительной механики были рассчитаны: наибольший изгибающий момент, поперечные силы. Графически представлены на рисунке 3.

Рис. 3 – Расчётная схема, эпюры изгибающих моментов и поперечных сил

 

Основные результаты

Основные прочностные характеристики композитной арматуры представлены в таблице 3.

Как наиболее распространённую, геометрически схожую с Вр -II принимаем стеклопластиковою арматуру по [2], [6], диаметром 4,77мм., площадью поперечного сечения S = 17,83мм² R_s = 1100Н/мм². Определяем h₀-рабочую высоту сечения по формуле (3):

h0 = h - asp = 60 – 21,5 = 38,5 мм

(3)

 

Таблица 3 – Характеристики НКА при растяжении

Наименование показателя	Ед. Изм.	Стеклокомп. АСК	Углекомп. АУК	Арамидокомп. ААК
Предел прочности при растяжении	МПа	450-1600	600-3500	1000-2500
Модуль упругости при растяжении	ГПа	35-60	100-580	40-125
Предельная относительная деформация	%	1,2-3,7	0,5-1,7	1,9-4,4

 

При расчете на прочность напряженных конструкций с композитной арматурой необходимо учитывать предварительные напряжения, а также их потери [4]. Для стеклопластиковой арматуры предварительные напряжения находятся по формуле 4:

     (4) потери от релаксации  потери от температурного перепада  потери от деформации стальной формы : Предварительное напряжение с учетом всех потерь найдем по формуле (5):    (5)

Расчет по прочности нормальных сечений бетонных конструкций с НКА следует производить в зависимости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны , определяемым из соответствующих условий равновесия, и значением граничной относительной высоты сжатой зоны , при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре напряжения, равного расчётному сопротивлению  

Значение  определим по формуле:

   (6)

где   принимаем по [4]  равной 0,0035; 

Подставляя в выражение (6) необходимые величины рассчитали, что .

При расчете элемента в стадии предварительного обжатия усилие в напрягаемой арматуре вводится в расчет как внешняя продольная сила, равная:

      (7)

где  и  - предварительные напряжения с учетом первых потерь в арматуре с соответствующей площадью .

Подставляя в выражение (7) необходимые величины рассчитано усилие от предварительного обжатия  

Учитывая величину  высота сжатой зоны бетона определяется по следующей формуле:

    (8)

Подставив значения найдена высота сжатой зоны х = 6,8мм.

Определив высоту сжатой зоны остается проверить выполнение условия прочности по моментам, момент от расчетной нагрузки равен:

   (9)

Условия прочности не выполняется, если принять стеклопластиковую арматуру диаметром 8 мм., то

     (10)

  - условие прочности выполняется.

Для выбранной канальной плиты толщиной 60 мм возможно произвести замену стальной напрягаемой арматуры марки Вр-II диаметром 5мм., на композитную стеклопластиковую арматуру Ø8мм., в верхней и нижней зонах.

Заключение

В связи с тем, что антикоррозийная стойкость стеклопластиковой арматуры несравнимо выше стальной, может быть уменьшен защитный слой бетона и, соответственно, толщина плиты. Полимерные стержни обладают меньшим весом по сравнению с металлом. Их применение позволяет снизить нагрузку на основание. Материал не вступает в реакцию с водой и не поддается коррозии.

По прогнозам экспертов, со временем стеклопластиковая арматура не заменит полностью стальную в конструкциях, но займет определенный сегмент, так как обладает многими достоинствами. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Абдразаков Ф. К. Ресурсосберегающие технологии и машины для интенсификации мелиоративного производства / Ф. К. Абдразаков. Саратов: ФГБОУ ВО Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова, 2019. 164 с.
2. ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования в бетонных конструкциях. - Введ. 01.01.2014. М. : Стандартинформ, 2014. – 37с.
3. ГОСТ 22930-87. Плиты железобетонные предварительно напряженные для облицовки оросительных каналов мелиоративных систем. Технические условия. - Введ. 01.01.1988. М. : Государственный строительный комитет, 1988. – 14с.
4. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. - Введ. 13.07.2015. М. : Стройиздат, 2015. – 163с.
5. ГОСТ 8829-2018. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. - Введ. 01.09.2018. М. : Стандартинформ, 2019. – 16с.
6. СП 295.1325800.2017. Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. правила проектирования. - Введ. 01.12.2012. М. : Минстрой России, 2017. – 52с.
7. Kumahara, S. Tensile Strength of ContinuousFiber Bar under High Temperature / S. Kumahara, Y. Masuda, Y. Tanano // International Symposium on Fiber-Reinforcement-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, American Concrete Institute, 1993.
8. Wang, N. Collapse of Continuous Fiber Composite Beamat Elevated Temperatures / N. Wang, J.T. Evans, // Journal of Composites, pp. 56-61, 26(1) 1996.
9. Karbhari, V.M. Durability Gap Analysis for Fiber-Reinforced Polymer Composites in Civil Infrastructure / M. Karbhari, J.W. Chin, D. Dunston, et al. // Journal of Composites for Construction, pp. 238-247, 7(3) 2003.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Abdrazakov F. K. Resursosberegajushhie tekhnologii i mashiny dlja intensifikacii meliorativnogo proizvodstva [Resource-saving technologies and machines for the intensification of reclamation production] / F. K. Abdrazakov. Saratov: Saratov State Agrarian University named after N. I. Vavilov, 2019. 164 p. [in Russian]
2. GOST 31938-2012. Armatura kompozitnaja polimernaja dlja armirovanija v betonnykh konstrukcijakh [Composite polymer reinforcement for reinforcement in concrete structures. - introduced. 01.01.2014. Moscow : Standartinform, 2014– 37p. [in Russian]
3. GOST 22930-87. Plity zhelezobetonnye predvaritel'no naprjazhennye dlja oblicovki orositel'nykh kanalov meliorativnykh sistem. Tekhnicheskie uslovija [Prestressed reinforced concrete slabs for lining irrigation channels of reclamation systems. Technical conditions]. - introduced. 01.01.1988. Moscow : State Construction Committee, 1988– 14 p. [in Russian]
4. SP 63.13330.2012. Betonnye i zhelezobetonnye konstrukcii. Osnovnye polozhenija [Concrete and reinforced concrete structures. The main provisions]. - introduced. 13.07.2015. Moscow : Stroyizdat, 2015– 163 p. [in Russian]
5. GOST 8829-2018. Izdelija stroitel'nye zhelezobetonnye i betonnye zavodskogo izgotovlenija. Metody ispytanijj nagruzheniem. Pravila ocenki prochnosti, zhestkosti i treshhinostojjkosti [Reinforced concrete and factory-made concrete construction products. Methods of loading tests. Rules for assessing strength, stiffness and crack resistance]. - introduced. 01.09.2018. Moscow : Standartinform, 2019– 16p. [in Russian]
6. SP 295.1325800.2017. Konstrukcii betonnye, armirovannye polimernojj kompozitnojj armaturojj. pravila proektirovanija [Concrete structures reinforced with polymer composite reinforcement. design regulations]. - introduced. 01.12.2012. Moscow : Ministry of Construction of Russia, 2017. - 52 p. [in Russian]
7. Kumahara, S. Tensile Strength of ContinuousFiber Bar under High Temperature / S. Kumahara, Y. Masuda, Y. Tanano // International Symposium on Fiber-Reinforcement-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, American Concrete Institute, 1993.
8. Wang, N. Collapse of Continuous Fiber Composite Beamat Elevated Temperatures / N. Wang, J.T. Evans, // Journal of Composites, pp. 56-61, 26(1) 1996.
9. Karbhari, V.M. Durability Gap Analysis for Fiber-Reinforced Polymer Composites in Civil Infrastructure / M. Karbhari, J.W. Chin, D. Dunston, et al. // Journal of Composites for Construction, pp. 238-247, 7(3) 2003.