Прочность стеклопластиковой арматуры на растяжение
Содержание статьи
Мифы о композитной арматуре
Прежде, чем приобрести композитную арматуру, любой покупатель пожелает узнать особенности ее применения, положительные и отрицательные стороны, и главный источник информации — интернет. Но понять, какая информация достоверна, не всегда удается. Попробуем дать ответ на наиболее сложные вопросы и развеять устоявшиеся мифы:
Миф первый: Арматура из композита — «резиновая». Подразумевается, что у композитной арматуры модуль упругости ниже, чем у стальной. Так ли это?
Модуль упругости:
Чтобы растянуть образец на заданное некоторое расстояние, необходимо приложить определенное усилие — это и есть модуль упругости. У композитной арматуры он составляет 45000 Мпа, у металлической — 200 000 Мпа. Значит арматуру из композита в 4 раза легче «растянуть». Однако проведенные исследования доказали, то у стальных материалов величина модуля упругости не постоянна и резко снижается при усилении нагрузки из-за появления пластических деформаций. Главная задача арматуры в бетоне — работа на растяжение и разрыв. У самого бетона модуль упругости имеет колебания в пределах от 20000 до 30000 Мпа, в зависимости от марки, но резиновым его назвать сложно.
Учитывая свойства материала, необходимо учитывать полный комплекс его характеристик, который включает относительное удлинение на разрыв, временное сопротивление разрыву, предел текучести, равномерное удлинение.
Конструкция из железобетона при нагрузке ведет себя следующим образом: После небольшого растяжения в бетоне появляются микротрещины, после чего металлическая арматура препятствует окончательному его растрескиванию. Микротрещины в нагружаемой конструкции явление обычное, так как даже при минимальной нагрузке предотвратить их появление невозможно. От модуля упругости арматуры зависит размер этих трещин, чем он меньше, тем сильнее бетон «провиснет». Чтобы вся конструкция не обрушилась, в действие вступает предел прочности. Чем выше этот предел, тем более сильную нагрузку выдержит бетон. У самого бетона предел прочности при растяжении в 8-20 раз ниже прочности при сжатии. Маркировка В25 означает, что данный класс материала способен выдержать давление на сжатие 25Мпа, а на растяжение всего 1-4 Мпа. У стали этот показатель равен 400 Мпа, а у композитной арматуры 1200 Мпа. Данная характеристика показывает, что конструкция с композитной арматурой способна выдержать в 3 раза большую нагрузку, чем с металлической. Но при этом она в 4 раза сильнее провиснет. Размер микротрещин при одинаковой нагрузке в бетоне с металлической арматурой будет в 4 раза меньше.
Деформация растяжения:
Использование стальной арматуры регулируется ГОСТами и СНиПами, так как со временем она подвергается коррозии, теряет свойства, что может привести к обрушению конструкции. Арматура из композита не ржавеет и разрушение ей не грозит. Однако появление трещин в бетоне не является только следствием коррозии. При усилии на разрыв деформация стеклопластика составляет до 2,8%, а металла 25%.
В СП52-101-2003 указано, что армированные бетонные конструкции дают трещины при деформации растяжения 0,015%, т.е. задолго до предела прочности арматуры, независимо от ее материала (композита или стали).
Если возникло желание заменить металлическую арматуру на композитную в перекрытиях или несущих стенах, необходимо произвести перерасчет проектно-технической документации, что позволит избежать появления крупных трещин. Перерасчет производится для конструкций, подвергающихся максимальным нагрузкам. В местах, где предполагается минимальная нагрузка, допускается замена металлической арматуры на композитную с меньшим диаметром. СНиП позволяет не производить перерасчет раскрытия трещин, не предусмотренных конструкцией. Поэтому элементы конструкции, не подверженные сильной нагрузке, можно смело выполнять с применением стеклопластиковой арматуры.
Миф второй. Равнопрочная или равнозначная замены? В чем разница?
Не следует путать равнопрочную и равнозначную замены. Если образец не уступает по прочности исходную конструкцию, то говорят о равнопрочной замене. В данном случае под прочностью подразумевается «предел прочности», максимальное механическое напряжение, после которого наступает разрушение материала. В ГОСТе 1497-84 под прочностью понимается «временное сопротивление разрушения», напряжение, которое соответствует максимальному усилию перед разрывом образца при испытаниях.
Если произвести замеры двух образцов из металла и композитного материала, получим следующие показатели: прочность на разрыв у композита диаметром 10 мм составит 63000 Мпа, а у стали диаметром 14 мм 60 000 Мпа. Это показывает, что данная замена не является равнопрочной, так как арматура из композита прочнее на 5%. Отсюда вывод, что при равнопрочной замене металлическую арматуру диаметром 14 мм можно смело заменить на композитную с диаметром 10мм.
Что же такое равнозначная замена? При такой замене физические характеристики образцов должны быть идентичны. Если у стеклопластиковой арматуры модуль упругости в 4 раза меньше, чем у металлической, то для замены ее необходимо брать в 4 раза больше. Способность твердого тела деформироваться при приложении к нему усилия называют модулем упругости. Этот термин включает в себя несколько физических величин. Рассчитаем диаметры материалов при равнозначной замене. Если композитного материала необходимо в 4 раза больше, то используя формулу площади круга получаем, что для замены металлической арматуры диаметром 10 мм требуется стеклопластик диаметром 20 мм.
Полученные расчеты необходимо учесть до начала строительства или составления проекта, и четко понимать разницу между равнозначной и равнопрочной заменой.
В конструкциях, где прогиб арматуры не имеет особого значения, целесообразно использовать более прочные композитные материалы. В плитах перекрытия или несущих стенах требуется использование металлической арматуры с высоким модулем упругости или производить перерасчет при использовании стеклопластика.
Источник
Стеклопластиковая арматура против стальной: сравниваем по 6 параметрам
Стеклопластиковая арматура в малоэтажном домостроении пока применяется сравнительно редко. Это и понятно: рекламируется продукт довольно скромно (что, теоретически, должно говорить в его пользу), о его свойствах потребителю известно далеко не всё, к тому же не каждый строитель знает, как с такой арматурой работать. Наряду со стеклопластиком, согласно ГОСТ 31938-2011, для изготовления арматуры могут применяться и другие композиты — базальтопластик, арамидопластик, углепластик.
Кладочные сетки, а также гибкие связи для многослойных стен сегодня чаще делают из базальтопластика, так как по сравнению со стеклопластиком этот материал обладает большим модулем упругости. Однако стеклопластиковая арматура дешевле других, поэтому именно она получила широкое распространение. Именно её мы будем сравнивать со стальной. Итак, начнём.
1 Цена
В целом стеклопластиковая арматура дешевле стальной. Но, как это видно из таблицы, с увеличением диаметра процентная разница (а значит, расходы по смете) нивелируется.
Если цена стальных изделий у крупных продавцов более или мене одинакова, то в случае стеклопластика наблюдается существенный разброс цен, зависящий от качества (изготовлено по ГОСТ или по ТУ).
В любом случае покупать композитную арматуру лучше у представителей крупнейших заводов — «МегаПласт», «ПластКомпозит», «Ярославский завод композитов», «Завод АЛЮР» и др.
| Диаметр, мм | Стальная арматура, цена в руб. | Композитная арматура, цена в руб. |
| 8 | 25 | 20 |
| 10 | 35 | 25 |
| 12 | 45 | 35 |
| 14 | 55 | 45 |
| 16 | 65 | 55 |
2 Прочность на изгиб
Параметр зависит от модуля упругости материала. Для стали марки Ст3 его значение 200 ГПа (гигапаскалей), для стеклопластика — 30-55 ГПа. Это значит, что в конструкциях, где арматура работает на изгиб (все виды плавающих фундаментов, плиты и балки перекрытий, перемычки над проёмами и ригели каркаса здания), диаметр стеклопластиковой арматуры должен быть больше, чем стальной. Насколько? Здесь требуется расчёт конкретной конструкции. Проблема в том, что методика такого расчёта разработана только для железобетона (СП 63.13330.2012), а для бетона с композитным армированием её нет.
Практики советуют при использовании стеклопластиковой арматуры в перечисленных конструкциях увеличивать коэффициент армирования примерно на 20% или диаметр прутков на 4 мм (по сравнению со сталью). То есть рентабельность применения композита в данном случае остаётся под вопросом.
3 Прочность на разрыв
У стеклопластиковой арматуры она превышает 1,1 ГПа, у стальной равна 390 МПа, то есть примерно в три раза ниже. При этом относительное удлинение при разрыве (то есть величина деформации при временном сопротивлении разрыву, выраженная в процентах от первоначальной длины) у стеклопластиковой арматуры меньше в 10 раз. А значит, в конструкциях, испытывающих в основном растягивающие нагрузки (сваи, вертикальное и подошвенное горизонтальное армирования ленточных фундаментов глубокого заложения), стеклопластиковая арматура может быть тоньше стальной. Увы, это лишь теория. Методики точного расчёта для стеклопластика пока не разработано.
4 Теплопроводность
Теплопроводность важна в основном в стеновых кладочных конструкциях, где поясное армирование нередко ведёт к образованию мостиков холода. И здесь стеклопластиковая арматура кладёт стальную на обе лопатки: коэффициент её теплопроводности в 13 раз ниже, чем у стали.
5 Стойкость к коррозии
У стеклопластиковой арматуры очень высокая коррозионная стойкость, но применять сам этот термин в данном случае не совсем корректно. Когда речь идёт о полимерах, говорят о старении или самодеструкции материала. Судя по испытаниям, стеклопластиковая арматура не менее долговечна, чем стальная, а в конструкциях, постоянно контактирующих с водой и при этом выполненных без вибропрессования бетона, композит теоретически должен служить дольше стали.
6 Удобство использования
По этому параметру стеклопластиковая арматура мало отличается от стальной. Она намного легче, но при индивидуальном малоэтажном строительстве масса арматуры несущественна. Стеклопластик нельзя сварить, но и стальную арматуру сегодня предпочитают вязать нержавеющей проволокой или пластиковыми хомутами. Резать композитную арматуру болгаркой очень легко. Единственный важный нюанс: стеклопластиковый пруток нельзя изогнуть на стройплощадке, а заказанные у производителя гнутые изделия обойдутся дорого, к тому же их придётся долго ждать. Отсутствие жёсткого непрерывного армирования в углах может сказаться на прочности конструкции, но выход есть: ничто не мешает комбинировать прямые стеклопластиковые прутки с гнутыми стальными.
- Материал подготовил: Владимир Григорьев
Источник
Сравнительные характеристики
Сравнительные технические характеристики и преимущества
композитной стеклопластиковой арматуры
Основные преимущества стеклопластиковой арматуры
Прежде всего,арматураиз полимерных строительных материалов, отличается высокой прочностью и достаточно низким удельным весом (меньше практически в четыре раза), если сравнивать с аналогичной арматурой, изготовленной из металла. К тому же показатель прочности на разрыв у композитной арматуры из стеклопластика в два с половиной раза превышает данный показатель у аналогов из металла. Эти свойства позволяют в значительной степени расширить область использованиястеклопластиковой арматуры. Сравнительные характеристики композитной арматуры АКП-СП и стальной арматуры A-III
Сравнительные технические характеристики композитной стеклопластиковой арматуры и стальной арматуры
| Характеристики | Арматура металлическая класса A-III (A400C) | Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС) | Описание |
|---|---|---|---|
| Материал | Сталь | Стеклоровинг, связанный полимером на основе эпоксидной смолы | |
| Предел прочности при растяжении, МПа | 390 | 1268 | Чем выше показатель, тем лучше. Характеристика арматуры на разрыв — самый основной показатель при учете нагрузок на готовое изделие. Во всех готовых изделиях арматура работает именно на разрыв, кроме плит перекрытия в которых учитывается еще и её модуль упругости. |
| Модуль упругости, Мпа | 200 000 | 60 000 | Чем выше показатель тем лучше. Характеристика показывающая нагрузку на прогиб арматуры, в готовых изделиях. Учитывается только в межэтажных плитах перекрытия, перемычках, мостостроении и т.п. |
| Относительное удлинение, % | 25 | 2,2 | Чем ниже показатель, тем лучше. Характеристика которая помогает избежать трещин в фундаменте. Стеклопластик в отличие от металла практически не растягивается. Является немаловажным фактором при заливке полов, при изготовлении дорожных плит. Отрезок дороги в г. Пермь по ул. Карпинского(От путепровода через транссибирскую железнодорожную магистраль до ул. Стахановская) был изготовлен 9 лет назад с применением композитной арматуры до сих пор полностью отсутвуют продольные и поперечные трещины и разрушение асфальтобетонного покрытия(!). |
| Плотность, т/м3 | 7 | 1,9 | Влияет на вес изделия. |
| Коррозионная стойкость к агрессивным средам | Коррозирует | Нержавеющий материал | Характеристика позволяющая использовать материал в агрессивной среде и в местах непосредственного контакта с водой (укрепление береговой линии, колодцы, водоотливы, бордюры и т.п.), а также дающая экономию бетона при производстве плит, за счёт уменьшения защитного слоя (который для металлической арматуры значительно больше). |
| Теплопроводность | Теплопроводна | Нетеплопроводна | Данная характеристика позволяет увеличить сохранение тепла в зданиях на 35% больше, чем металлическая в случае применения в качестве гибких связей внешних стен с отделочным материалом ( т.к. в отличие от стальной арматуры не образует мостиков холода). |
| Электропроводность | Электропроводна | Неэлектропроводна — диэлектрик | В отличие от стальной арматуры, не создает «экрана», который мешает работе сотовой связи. |
| Выпускаемые профили, мм | 6 — 80 | 4 — 24 | В разработке другие размеры, а также арматура различной конфигурации. |
| Длина | Стержни длиной 6 — 12 м | В соответствии с заявкой покупателя. Любая строительная длина. Возможна поставка в бухтах. | Данная характеристика дает экономию за счет уменьшения или практически полного отсутвия обрезков по сравнению с металлической арматурой а так же дает преимущество исключая связку хлыстов между собой, так как длина в бухте 100 и более метров |
| Экологичность | Экологична | Нетоксична, по степени воздействия на организм человека и окружающую среду относится к 4 классу опасности (малоопасна) | Вреда для здоровья не выявлено. Имеется гигиенический сертификат. |
| Долговечность | В соответствии со строительными нормами около 50 лет. | Неизвестно | Так как материал не корозирует и не вступает в реакцию с агресивными средами то о его долговечности можно только догадываться. |
| Параметры равнопрочного арматурного каркаса при нагрузке 25 т/м2 | При использовании арматуры 8 А-III размер ячейки 14 x 14 см. вес 5,5 кг/м2 | При использовании арматуры 8 АКС размер ячейки 23 x 23 см. вес 0,61 кг/м2. Уменьшение веса в 9 раз. | Меньший вес композитной арматуры позволяет добиться значительной экономии на доставке и удобства при погрузо-разгрузочных работах. |
Равнопрочная замена стальной металлической на композитную стеклопластиковую арматуру.
Понятие равнопрочной замены представляет собой замену арматуры произведенной из стали, на арматуру из композитных материалов, которая имеет такую же прочность и схожие прочие физико-механические показатели. Под равнопрочным диаметром стеклопластиковой арматуры, будем понимать ее такой наружный диаметр, при котором прочность будет равна прочности аналога из металла заданного диаметра.
Равнопрочная замена
| Металлическая арматура класса A-III (A400C) | Арматура композитная полимерная стеклопластиковая (АКС) |
|---|---|
| 6 | 4 |
| 8 | 5,5 |
| 10 | 6 |
| 12 | 8 |
| 14 | 10 |
| 16 | 12 |
| 18 | 14 |
| 20 | 16 |
Диаграмма растяжения. Определения предела текучести и предела прочности металлической арматуры
На рисунке 1 приведена кривая зависимости напряжения от деформации металлической арматуры.
Рисунок 1
На рисунке 2 приведено примерное расположение кривых зависимости напряжения
от деформации металлической и композитной арматуры (1).
Рисунок 2
Описание характерных точек диаграммы
σп- Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности. Предел пропорциональности зависит от условно принятой степени приближения, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую.
Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости σу, т.е это наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций.
σт- предел текучести.
Под пределом текучести понимается то напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести условно принимается величина напряжения, при котором остаточная деформация составляет 0,2%.
Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности или временного сопротивления. Предел прочности также является условной величиной.
Единица измерения предела текучести и предела прочности — паскаль Па. Более удобно предел текучести и предел прочности измерять в мегапаскалях МПа.
Анализ графика:
- при малых нагрузках композитная арматура тянется лучше, чем металлическая.
- до того как в металле перестает действовать закон Гука, обе кривые почти прямолинейны.
- после того как метал начинает «течь», композитная арматура продолжает работать как раньше.
- после того как закон Гука перестал работать в композитной арматуре, стальная давно уже лопнула.
- композитная арматура почти не течет, а сразу лопается, это видно, когда косая прямая (1) очень быстро переходит в горизонтальную и прерывается.
- из графика видно, что композитная арматура выдержит намного большую нагрузку, чем металлическая.
- металлическая арматура вытянется и лопнет, когда при такой же нагрузке, композитная ведет себя намного лучше, так как график не меняет своего направления.
Источник