Сопротивление стенок железобетонных двутавровых балок с композитной поперечной арматурой и его нейросетевое и численное моделирование тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Усанов Сергей Владимирович

• Усанов Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Усанов Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Композитная полимерная арматура и ее физико-механические свойства

1.2 Вопросы применения композитной арматуры в качестве поперечного армирования балок

1.3 Отечественные и зарубежные исследования прочности тонких стенок армированных бетонных балок

1.4 Деформационные модели для расчета железобетонных элементов при плоском напряженном состоянии

1.5 Методики расчета на действие поперечных сил в отечественных и зарубежных нормах

1.5.1 Методика отечественных норм

1.5.2 Методика Американского института бетона (ACI)

1.5.3 Методика Канадской ассоциации стандартов (CSA)

1.5.4 Методика Японского общества инженеров гражданского строительства (JSCE)

1.5.5 Методика Итальянского национального совета по научным исследованиям (CNR)

1.5.6 Методика Еврокода

1.6 Выводы по главе

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СТЕНКИ ДВУТАВРОВЫХ БАЛОК С ПОПЕРЕЧНЫМ КОМПОЗИТНЫМ АРМИРОВАНИЕМ

2.1 Нелинейное конечно-элементное моделирование напряженно-

деформированного состояния балок

2.2 Нейросетевое прогнозирование прочности стенок двутавровых балок 56 с поперечным армированием

2.3 Регрессионные модели прочности стенок двутавровых балок

2.4 Выводы по главе

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ СТЕНОК ДВУТАВРОВЫХ БАЛОК С КОМПОЗИТНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ АРМИРОВАНИЕМ

3.1 Программа экспериментальных исследований, конструкция опытных образцов

3.2 Характеристики исходных материалов и технология изготовления балок

3.2.1 Характеристики исходных материалов

3.2.2 Технология изготовления образцов

3.3 Особенности методики испытания образцов

3.4 Анализ результатов экспериментальных исследований

3.4.1 Трещиностойкость и деформативность балок

3.4.2 Особенности развития деформаций бетона стенки

3.4.3 Формы разрушения балок

3.5 Влияние конструктивных параметров и пролета среза нагружения на прочность стенок

3.6 Выводы по главе

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДВУТАВРОВЫХ БАЛОК С КОМПОЗИТНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ АРМИРОВАНИЕМ ПО ПРЕДЛОЖЕННЫМ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ, НЕЙРОСЕ-ТЕВОЙ И РЕГРЕССИОННОЙ МОДЕЛЯМ

4.1 Оценка применимости отечественных и зарубежных норм для расчета

прочности стенок балок с композитным поперечным армированием

4.2 Оценка деформирования балок нелинейным конечно-элементным моделированием

4.3 Моделирование прочности балок искусственными нейронными сетями

4.4 Совершенствование инженерной методики расчета прочности стенки применением регрессионной модели

4.5 Оценка расчетной применимости предложенных конечно-элементной, нейросетевой и регрессионной моделей и сходимость экспериментальных и теоретических результатов

4.6 Выводы по главе

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги выполненного исследования

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Патент на полезную модель

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Текст файла входных данных балки Б1 для фреймворка OpenSees

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Документы о внедрении результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сопротивление стенок железобетонных двутавровых балок с композитной поперечной арматурой и его нейросетевое и численное моделирование»

Введение

Актуальность работы. Композитная полимерная арматура приобретает все большее распространение в строительстве. Исследования ее свойств, совершенствование технологии изготовления и применения для армирования ведутся с середины прошлого века. Из-за высокой стоимости применение ее взамен стальной признавалась целесообразным лишь в случаях, когда задействовались специфические свойства композитной арматуры - в конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах, тонкостенных конструкциях, сооружениях, где необходимо обеспечить антимагнитные свойства и т.п. Исследования при этом главным образом были посвящены вопросам применения стеклопластиковой арматуры. Вследствие низкого модуля упругости предлагалось ее использование только в пред-напряженных конструкциях. В 1990-х годах благодаря развитию метода пултру-зии интерес к композитной арматуре в строительной индустрии усилился, формируя новые запросы на изучение её свойств.

В подавляющем большинстве случаев в качестве опытных образцов в исследованиях изгибаемых элементов с композитным армированием выступали балки прямоугольного сечения, не имевшие поперечной арматуры. Между тем, если продольная арматура выполняется из коррозионностойкого материала, то целесообразным представляется применение аналогичного материала и для поперечной арматуры. Особенно это относится к тавровым и двутавровым балкам, где обеспечение требуемого защитного слоя поперечной арматуры в тонких стенках более затруднительно в сравнении прямоугольным сечением.

Работа на поперечную силу тонкостенных железобетонных балок остается малоизученным вопросом. Эмпирическая формула отечественных норм проектирования для расчета прочности тонких стенок тавровых и двутавровых балок не учитывает наблюдаемого в опытах влияния параметров нагружения и конструктивных характеристик балок. По ней же выполняется расчет прочности стенок балок с композитной арматурой (СП 295.1325800.2017 «Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой» [38], впервые введенного в

2018г.). До настоящего времени не выполнялось отдельных исследований работы тонких стенок бетонных балок с поперечным композитным армированием в зоне действия поперечных сил.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам применения композитной арматуры в строительстве посвящены исследования отечественных и зарубежных ученых: Г.М. Андреевской, И.Н. Ахвердова, О.Я. Берга, Ю.М. Вильдавского, А.А. Гвоздева, С.С. Жаврида, Д.А. Ильина, Д.Р. Маиляна, Н.А. Мощанского, П.П. Польского, Н.П. Фролова, М. Atitus, М. Budvytis, R. Fico, R.J. Frosch, H. Fukuyama, L. Juknevicius, G. Manfredi, T. Nagasaka, A. Nanni, E. Oller, А. Prota, М. Tanigaki, A.K. Tureyen, J. Valivonis и др. Обширные сведения об отечественных исследованиях вопросов, связанных с производством АКП и её применением для армирования конструкций из бетона, обобщены в монографии В.Ф. Степановой [4].

Исследования бетонных балок с композитной арматурой в большинстве своем посвящены вопросам прочности и трещиностойкости нормальных сечений. Из числа экспериментальных исследований работы балок с композитной арматурой на действие поперечных сил большую часть составляют опыты с балками без поперечной арматуры или со стальными хомутами. Исследования поведения балок с поперечной композитной арматурой на сегодня немногочисленны и представлены работами Е. Ахмеда, Б. Бенмокрейна, М. Курта, Р. Морфи, С. Ризкалла, Е.Ф. Салаквей, Дж. Хеггера, Э. Шехата и др. Специальных исследований прочности тонких стенок, армированных стержнями композитной арматуры, по бетонной полосе между наклонными сечениями до настоящего времени не проводилось.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов расчета прочности стенок двутавровых бетонных балок с поперечным композитным армированием при действии поперечных сил.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- построить нейросетевую модель для многомерной аппроксимации зависимости сопротивления стенок по наклонным бетонным полосам от конструктивных характеристик балок и схемы загружения;

- разработать конечно-элементную модель для нелинейного расчета двутавровых балок с композитным поперечным армированием;

- провести экспериментальные и численные исследования работы бетонных двутавровых балок с поперечным композитным армированием с использованием разработанной нейросетевой и конечно-элементной моделей;

- на основании проведенных экспериментальных исследований данных и нейросетевого моделирования разработать методику инженерного расчета прочности стенок;

- оценить применимость разработанных методов и моделей проведением численных исследований и сопоставлением результатов расчетов с опытными данными.

Научная новизна работы:

- впервые получены данные о работе стенок двутавровых балок с композитным поперечным армированием, в том числе в зоне действия поперечных сил;

- впервые применено математическое моделирование искусственными нейронными сетями для прогнозирования сопротивления тонких стенок в прио-порной зоне как трудно формализуемой задачи;

- разработана компьютерная конечно-элементная модель для нелинейных расчетов на поперечную силу (по несущей способности и прогибам) двутавровых бетонных балок с поперечным композитным армированием;

- усовершенствована методика расчета прочности тонких стенок при действии поперечных сил для учета влияния деформативных характеристик композитной арматуры, угла наклона арматуры и пролета среза загружения.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость состоит в обосновании возможности применения инструментов машинного обучения для прогнозирования несущей способности армированных бетонных конструкций при действии поперечных сил. Показана возможность компью-

терного расчета по несущей способности и деформациям двутавровых балок с поперечным армированием композитной арматурой с использованием нелинейной деформационной модели для плоского напряженного состояния.

Практическая значимость заключается в совершенствовании подходов к проектированию изгибаемых элементов, позволяющем учитывать экспериментально выявленные особенности поведения конструкций с композитным армированием. Корректные методики расчета обеспечивают надежность проектных решений и снижают стоимость конструкций, способствуя таким образом более активному внедрению в строительство композитной арматуры.

Методология и методы исследования. Сформулированные задачи решали проведением экспериментальных и численных исследований моделей конструкций. Выполняли нелинейные конечно-элементные расчеты балок в приложении OpenSees и математическое моделирование инструментами программного пакета STATISTICA. Испытания опытных образцов проводили с использованием сертифицированных приборов и оборудования. Нагружение балок осуществляли в оригинальной замкнутой силовой раме (патент автора на полезную модель № RU 163303 и1).

Положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований прочности, трещиностойко-сти и деформативности двутавровых бетонных балок с композитным армированием наклонных сечений при действии поперечных сил;

- аналитическая модель на основе искусственных нейронных сетей для прогнозирования прочности тонких стенок бетонных балок с различными видами поперечного армирования;

- результаты численного исследования НДС стенок двутавровых балок с применением нелинейных деформационных моделей;

- инженерный метод расчета сопротивления стенок приопорных участков двутавровых балок по наклонным бетонным полосам.

Достоверность результатов обоснована использованием при испытаниях сертифицированного и поверенного измерительного оборудования, применением

известных принципов строительной механики и математического анализа, сходимостью результатов моделирования и прогнозирования с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные материалы работы доложены и одобрены на научных конференциях КубГТУ (2018-2022 гг.), II Международной научно-практической конференции «Девелопмент и инновации в строительстве» (Краснодар, 2018), II Scientific Conference «Modelling and Methods of Structural Analysis» (Москва, 2021), International Conferenceon Materials Physics, Building Structures and Technologies in Construction, Industrial and Production Engineering (Владимир, 2022), «Актуальные вопросы строительства: взгляд в будущее» (Красноярск, 2022), «Технические науки: проблемы и решения» (Москва, 2022), «Прикладная математика и информатика в современном мире» (Краснодар, 2022).

Автор выражает благодарность доктору физико-математических наук, профессору кафедры средств и систем передачи и обработки информации КВВУ имени С.М. Штеменко Усатикову Сергею Васильевичу и кандидату технических наук, доценту кафедры вычислительных технологий КубГУ Руденко Ольге Валентиновне за помощь, оказанную при работе над диссертацией.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Композитная полимерная арматура и ее физико-механические свойства

В настоящее время полимерная композитная арматура приобретает все большее распространение в строительстве в России и за рубежом. Композитная арматура обладает рядом преимуществ, обусловливающих в определенных условиях целесообразность её применения для армирования конструкций из бетона. В отличие от стальной арматуры композитная арматура не подвержена коррозии и, следовательно, армированные ею конструкции из бетона обладают большей долговечностью [82]. В этой связи композитная арматура находит применение в конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах (например, подверженных воздействию морской воды), мостах и парковках (воздействие антиобледенителей), фундаментах, тонкостенных конструкциях и пр. [55]. Композитная арматура не создает магнитных полей, благодаря чему может быть использована для конструкций, окружающих оборудование магнитно-резонансной томографии [88].

Начало широкого распространения композитных полимерных материалов относят к 1940-м годам. В это время композитные материалы применяли в аэрокосмической и оборонной отраслях промышленности, представителей которых привлекала высокая прочность и малый объемный вес композитов [52]. Свойства композитная арматура для армирования конструкций из бетона в СССР изучали с 1960-х годов. Тогда замену стальной арматуры композитной из-за высокой стоимости последней признавали целесообразной лишь в тех случаях, когда задей-ствовались её специфические свойства. Таковыми, в первую очередь, считали коррозионную стойкость и диэлектрические свойства композитной арматуры. Исследования композитной арматуры при этом главным образом были посвящены вопросам применения стеклопластиковой арматуры в преднапряженных конструкциях, что диктовалось присущим ей низким модулем упругости [32, 33, 41]. Конструкции с дискретным армированием стеклопластиковыми стержнями тогда

именовали «стеклопластбетонными». В 1990-х годах возобновились активные исследования конструкций из бетона, армированных композитной арматурой. Толчком этому послужило развитие метода пултрузии для производства композитной арматуры, благодаря которому стоимость изготовления композита снизилась примерно в два раза [47]. В Европе впервые неметаллическую арматуру в строительстве применили в Германии в 1986 году при возведении моста из преднапря-женных конструкций [94]. В 1996 году в Великобритании сооружен первый пешеходный мост, армирование которого целиком состояло из композитной арматуры [67]. В 1997 году при строительстве моста в Канаде [103] композитная арматура была применена в качестве поперечной арматуры балок пролетного строения.

На сегодня стоимость композитной арматуры уже не является сдерживающим фактором ее распространения. Повышение интенсивности внедрения композитной арматуры в строительстве требует проведения соответствующих экспериментальных и теоретических исследований, раскрывающих влияние свойств композитной арматуры на характер работы конструкций, изготовленных с ее применением. Ранее выполненные исследования были преимущественно посвящены вопросам использования композитной арматуры в качестве продольного армирования конструкций [41]. Работа на поперечную силу изгибаемых конструкций из бетона с хомутами из композитной арматуры на сегодня остается малоизученной. Между тем, если продольная арматура выполняется из коррозионностойкого материала, то логичным представляется применение аналогичного материала и для поперечной арматуры [58]. В арматурных каркасах линейных конструкций хомуты, охватывая продольные стержни, располагаются ближе последних к наружной поверхности конструкций и в большей степени могут быть подвержены отрицательному воздействию внешней среды [52, 55]. Следовательно, поперечное армирование стержнями из композитной арматуры может послужить эффективной альтернативой стальным хомутам в конструкциях, эксплуатируемых в неблагоприятных условиях. В особенности это относится к тавровым и двутавровым бал-

кам, так как обеспечение требуемого защитного слоя хомутов в их тонких стенках более затруднительно в сравнении с балками прямоугольного сечения.

В российской нормативной литературе [12, 39] за композитной арматурой закрепилась аббревиатура АКП (арматура композитная полимерная). В англоязычных источниках аналогом является аббревиатура FRP - fiber reinforced polymer, т.е. полимер, армированный волокнами. В 2014 и 2017 гг. в России впервые были введены межгосударственные стандарты, содержащие соответственно технические условия на композитную арматуру и методы её испытаний [12]. Кроме того, были приняты СП 295.1325800.2017 «Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования» [39] и приложение Л (Расчет конструкций с композитной полимерной арматурой) к СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» [40]. За рубежом первое руководство по проектированию конструкций с композитной арматурой было разработано в Японии в 1996 году [78]. За ним последовали аналогичные руководства Европейского комитета по бетону (FIB) [67], Американского института бетона (ACI) [52], Канадской ассоциацией стандартов (CSA) [59], Британского института проектировщиков (BISE) [57] и др.

Подробное описание физико-механических свойств разных типов композитной арматуры содержится в большом числе источников [53-58, 62-65]. Ниже рассмотрены свойства композитной арматуры, представляющие интерес в рамках настоящего исследования.

Композитная арматура состоит из пучка направленных вдоль оси стержня непрерывных волокон и объединяющей их полимерной смолы (матрицы) [12, 77]. Армирующие волокна, часто именуемые ровингом [4, 21, 47 и др.], являются основой композитной арматуры и определяют ее прочность и деформативность. Матрица выступает в роли клеящей среды, обеспечивает совместную работу волокон, передает напряжения от бетона волокнам и защищает волокна от механических повреждений и негативного влияния щелочной среды бетона [67]. В качестве полимерной матрицы в большинстве случаев используют эпоксидные смолы и их модификации как наиболее оптимальные по совокупности таких показателей

как стойкость к агрессивным средам, скорость отверждения, механические и адгезионные характеристики, малая объемная усадка, стоимость и пр. Матрицу также могут выполнять из полиэфирной, винилэфирной и термопластиковой смол [69].

Волокна прочнее сырья, используемого для их производства, вследствие заданного расположения молекул вдоль направления волокна и меньшего количества дефектов [67]. Наиболее часто для изготовления композитной арматуры применяют стеклянные, базальтовые, углеродные, арамидные волокна или их комбинацию. Действующим ГОСТ 31938-2012 в соответствии с этим АКП подразделяется на следующие виды:

АСК - стеклокомпозитная арматура;

АБК - базальтокомпозитная арматура;

АУК - углекомпозитная арматура;

ААК - арамидокомпозитная арматура;

АКК - комбинированная композитная арматура.

Минимальные требования к физико-механическим свойствам композитной арматуры периодического профиля, предусмотренные ГОСТ 31938- 2012, приведены в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 - Требования к физико-механическим показателям АКП (таблица 3 ГОСТ 31938-2012 [11])

Наименование показателя Норма

Предел прочности при растяжении ов, МПа, не менее По требованиям таблицы 4 [12]

Модуль упругости при растяжении Е/, ГПа, не менее По требованиям таблицы 4 [12]

Предел прочности при сжатии овс, МПа, не менее По требованиям таблицы 4 [12]

Предел прочности при поперечном срезе г^,МПа, не менее По требованиям таблицы 4 [12]

Предел прочности сцепления с бетоном Гг,МПа, не менее 12

Снижение предела прочности при растяжении после выдержки в щелочной среде Дов, %, не более 25

Предел прочности сцепления с бетоном после выдержки в щелочной среде Гг,МПа, не менее 10

Предельная температура эксплуатации Тэ, °С, не менее 60

Всем указанным видам композитной арматуры присуща линейно-упругая работа на растяжение вплоть до разрыва без наступления текучести [70, 71]. Характерные диаграммы деформирования разных видов армирующих волокон приведены на рисунке 1.1 [67]. Углеродные и арамидные волокон анизотропны, а стеклянные и базальтовые волокна, напротив, изотропны.

Одним из преимуществ композитной арматуры является её невысокая плотность, варьирующаяся в зависимости от вида матрицы примерно в пределах 1430 - 2180 кг/м3, что в 4-6 раз меньше плотности стали. Композитная арматура является диэлектриком, в связи с чем её можно использовать в случаях, когда в сооружениях не допускается применение материалов, наводящих токи и создающих магнитные поля [58].

Важной отличительной особенностью работы композитной арматуры на растяжение в сравнении со стальной арматурой является снижение прочности с увеличением продолжительности действия усилия. В зарубежной литературе [52, 67] это явление называют «creep rupture» (разрыв, вызванный ползучестью) или «static fatigue» (статическая усталость).

Таблица 1.2 - Требования к физико-механическим характеристикам различных видов АКП (таблица 4 [12])

Наименование показателя АСК АБК АУК ААК АКК

Предел прочности при растяжении ов, МПа, не менее 800 800 1400 1400 1000

Модуль упругости при растяжении Е/, ГПа, не менее 50 50 130 70 100

Предел прочности при сжатии овс, МПа, не менее 300 300 300 300 300

Предел прочности при поперечном срезе ы, МПа, не менее 150 150 350 190 190

С увеличением отношения длительно действующих в стержне напряжений к кратковременной прочности композитной арматуры время до наступления разрыва уменьшается. В наибольшей степени статической усталости подвержена АСК, в наименьшей - АУК [60]. Изучению длительного сопротивления композитной арматуры растяжению посвящены работы Андо [53], Секи [107] и др. Длительность приложения нагрузки в экспериментальных исследованиях составляла

не более 100 часов, а величину длительной прочности композитной арматуры для продолжительного действия нагрузки (50 лет и более) определяли при помощи разного рода экстраполяций. Установленные отношения длительной прочности композитной арматуры к кратковременной варьируются в пределах 0,29 - 0,93 в зависимости от вида ровинга. Начальное предварительное напряжение рекомендуется ограничивать 55% кратковременной прочности композитной арматуры.

о, МПа Д

5000

а - углеродные с высоким

модулем упругости б - углеродные с высокой

прочностью в - арамидные г - стеклянные (тип С) д - стеклянные (тип Е) е - базальтовые

8, %

Рисунок 1.1 - Зависимость между напряжениями и деформациями при растяжении для различных типов волокон [67]

В работе [107] указывается, что для определения длительной прочности композитной арматуры целесообразно использовать подходы, основанные на правиле Аррениуса. Они заключаются в ускорении процессов деградации прочности композитной арматуры за счет вариации температуры. В качестве примера приводятся исследования Брауншвейгского технического университета, где стержни ААК испытывали в щелочной среде при температуре 20°С и 60°С. Было установлено, что статическая усталость прогрессирует с ростом температуры. Понижающие коэффициенты к кратковременной прочности Ауденарт и др. для срока службы более 50 лет рекомендуют принимать равными 0,25, 0,45 и 0,75 соответственно для АСК, ААК и АУК.

Длительная прочность композитной арматуры зависит от большого числа факторов, в т.ч от температуры окружающей среды, воздействий ультрафиолета и

щелочной среды [67]. Принимая во внимание также и малую изученность этого вопроса, при расчетах конструкций длительную прочность композитной арматуры получают умножением кратковременной прочности на понижающие коэффициенты. В таблице 1.3 приведена выборка значений этих коэффициентов из разных источников.

Прочность и деформативность композитной арматуры при растяжении зависит от диаметра стержня. Так, например, прочность стеклопластиковой арматуры диаметром 3 мм достигает 1800 МПа, а при диаметре стержней 12 мм -1050 МПа [41, 47]. В работе [41] показано, что с увеличением диаметра арматуры с 4 до 7 мм её временное сопротивление разрыву и модуль упругости снизились соответственно на 20 и 8%. В то же время химическая стойкость арматуры меньшего диаметра ниже из-за большей поверхности, приходящейся на единицу площади поперечного сечения, а скорость разрушения арматуры при действии агрессивных сред определяется именно площадью поверхности композитной арматуры [41, 47].

Таблица 1.3 - Коэффициенты перехода от кратковременной к длительной прочности АКП

Источник Вид АКП

АСК АБК АУК ААК АКК

СП 295.1325800.2017 [X] 0,3 0,4 0,6 0,4 0,4

Приложение Л к СП 63.13330.2012 [X] 0,3 0,4 0,6 0,4 0,4

Р-16-78 [НИИЖБ] 0,65

Фролов Н.П. [Фрол] 0,651)

СЖ^Т 203[Х] 0,3 0,9 0,5

АС1 440/Ж-15 0,3 0,55 0,3

1) коэффициент вводится к нормативному сопротивлению.

Вследствие значительного отличия деформативности полимерного связующего и армирующих волокон передача растягивающих усилий между волокнами происходит неравномерно. Сначала усилия передаются волокнам, расположенными на поверхности стержня, а затем через прослойки связующего более уда-

ленным от края волокнам (рисунок 1.2). Таким образом, при растяжении образца наибольшие деформации получают волокна на поверхности стержня, происходит смещение крайних волокон относительно центральных, напряжения от поверхности к центру снижаются. Разрушение начинается с разрыва наиболее напряженных наружных волокон, а затем за счет перераспределения напряжений происходит разрыв волокон в оставшемся сечении стержня [41].

а) б)

Рисунок 1.2 - Напряжения сцепления АКП с бетоном (а) и эпюра растягивающих напряжений сечении стержня (б)

Стандартные методы испытания композитной арматуры отличаются от методов испытания стальной арматуры. Так, при стандартных испытаниях на растяжение усилия от разрывной машины передают образцам композитной арматуры не напрямую, а через стальные муфты, препятствующие смятию стержня композитной арматуры и соединенные с ним при помощи состава холодного отверждения. Прочность композитной арматуры на срез (предел прочности при срезе поперек волокон) определяют нагружением перерезывающей силой посредством прямого приложения двойного среза. В нашей стране правила проведения испытаний композитной арматуры установлены ГОСТ 31938 [12], аналогичным международному стандарту ISO 10406-1 [77].

Из ранее перечисленных видов композитной арматуры исследователи отмечают перспективность базальтопластиковой арматуры (АБК) ввиду наличия практически неограниченных объемов сырья для ее изготовления, низкую стоимость производства базальтового волокна, возможность использования недорогих ап-

претирующих составов и др. [4, 19, 61, 63, 99, 112]. Прочность при растяжении базальтового ровинга варьируется в достаточно широких пределах и зависит от места происхождения сырья для его изготовления. В целом принято считать, что базальтовые волокна по своей прочности и модулю упругости при растяжении близки к более распространенным стеклянным волокнам [54]. В некоторых источниках указывается на рост сопротивления базальтовых волокон с увеличением температуры их производства [67]. Базальтовые волокна в 6-8 раз менее гигроскопичны, чем стеклянные, и потому в меньшей степени подвержены повреждениям в щелочной среде цементной матрицы [21, 86, 87]. Кроме того, базальтовые волокна обладают высокой огнестойкостью. Температура их плавления равна 1350 - 1700 °С, при этом в диапазоне от 200 до 600 °С механические свойства остаются практически неизменными [89]. К числу преимуществ материалов, полученных на основании базальтовых волокон, относят также их экологичность [98]. В зарубежных литературных источниках часто встречаются высокие оценки свойств АБК, однако при этом отмечается ее малая распространенность в сравнении с другими видами композитной арматуры [110].

Базальт является вулканической породой, добываемой открытым способом в карьерах. Базальтовые породы подвергают дроблению и плавлению, после чего расплав преобразуют в волокна. Диаметр волокон находится, как правило, в диапазоне 13 - 20 мкм [56]. Основным способом производства АБК, как и для других видов композитной арматуры, является метод пултрузии. Имеются также предложения по применению автоматического мокрого метода наслоения для производства АБК [56]. В настоящее время продолжаются исследования, направленные на повышение механических свойств композитов на основе базальтового волокна при их производстве. Так, в работе [89] указывается, что прочность базальтовых волокон в ненасыщенной полиэфирной смоле повышается при их обработке серной кислотой. Другим направлением улучшения характеристик композитов является модифицирование смол. В качестве примера можно привести исследование Ли и др. [83], где за счет введения в состав смолы многослойных углеродных нанотрубок, обработанных моносиланом, прочность и модуль упругости при рас-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Усанов Сергей Владимирович, 2023 год

Список литературы

1 Абдуллаев, А.Р. Исследование влияния продольного обжатия на прочность стенки двутавровых железобетонных элементов при действии поперечных сил / А.Р. Абдуллаев, Г.С. Алиев, М.М. Батдалов // Известия вузов. СевероКавказский регион. Технические науки. - 2007. - №2. - С. 87-89.

2 Алиев, Г.С. Прочность и трещиностойкость стенок двутавровых железобетонных балок из тяжелого и облегченного бетонов при действии поперечных сил: дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / Алиев Гамдулах Серажутдинович. -Ростов-на-Дону, 1979. - 151 с.

3 Антаков, А.Б. Экспериментальные исследования изгибаемых элементов с по-лимеркомпозитной арматурой / Антаков А.Б., Антаков И.А. // Известия КГА-СУ. - 2014. -№3(29). - с. 7-13.

4 Арматура композитная полимерная / В.Ф. Степанова, А.Ю. Степанов, Е.П. Жирков. - М., 2013. - 200 с.

5 Боришанский, М.С. Новые данные о сопротивлении изгибаемых элементов действию поперечных сил / М.С. Боришанский // Вопросы современного железобетонного строительства. - М.: Госстройиздат, 1952. - С.136-152.

6 Боришанский, М.С. Образование косых трещин в стенках предварительно-напряженных балок и влияние преднапряжения на прочность под действием поперечных сил / М.С. Боришанский, Ю.К. Николаев // Прочность и жесткость железобетонных конструкций. - М.: Стройиздат, 1968. - С. 5-56.

7 Волков, А.Н. Исследование и разработка методов построения инфраструктуры и предоставления услуг сетей связи на основе технологий искусственного интеллекта: дис. ... канд. техн. наук : 2.2.15 / Волков Артём Николаевич. -Санкт-Петербург, 2021. - 194 с.

8 ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. - Взамен ГОСТ 10180-78 в части определения прочности бетона по контрольным образцам ; введ. 2013-07-01. - М.: Стандартинформ, 2018. - 36 с.

9 ГОСТ 17624-2012. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. -Взамен ГОСТ 17624-78, ГОСТ 24467-80 ; введ. 2014-01-01. - 20 с.

10 ГОСТ 24452-80. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. Введ. 1982-04-01. - 16 с.

11 ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций ; введ.2012-12-18. - 38с.

12 ГОСТ 52544-2006. Прокат арматурный свариваемый периодического профиля классов А500С и В500С для армирования железобетонных конструкций. Введ. 2007-01-01. - 23 с.

13 ГОСТ 6727-80. Проволока из низкоуглеродистой стали холоднотянутая для армирования железобетонных конструкций. Введ. 1983-01-01. - 7 с.

14 Домышев, А.В. Оптимизация нормальных электрических режимов электроэнергетических систем при оперативном и автоматическом управлении: дис. ... канд. техн. наук : 05.14.02 / Домышев Александр Владимирович. - Иркутск, 2020. - 188 с.

15 Дуденков, В.М. Разработка нейросетевых моделей человекомашинного общения: дис. ... канд. техн. наук : 05.13.17 / Дуденков Владимир Михайлович. -Воронеж, 2016. - 131 с.

16 Залесов, А.С. Расчет прочности железобетонных балок с использованием объемных конечных элементов в развитие норм по проектированию железобетонных конструкций / А.С. Залесов, А.А. Пащанин // Строительная механика и расчет сооружений. - 2011. - №4. - С. 66-71.

17 Зюзин, Р.С. Конструктивные особенности армирования бетонных конструкций коррозионностойкой неметаллической композитной арматурой / Р.С. Зюзин, Л.Х. Загороднюк // Бетон и железобетон. - 2009. - №5. - с. 9-11.

18 Иваненко, Н.А. Работа на поперечную силу армоцементных изгибаемых элементов с комбинированным поперечным армированием: дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / Иваненко Николай Алексеевич. - Краснодар, 1988. -161 с.

19 Кустикова, Ю.О. Напряженно-деформированное состояние базальтопласти-ковой арматуры в железобетонных конструкциях / Ю.О. Кустикова, В.И. Римшин // Промышленное и гражданское строительство. - 2014. - №6. - с. 69.

20 Маилян, Д.Р. О прочности балок из тяжелого бетона при использовании стальной, углепластиковой и комбинированной арматуры, расположенной в два ряда / Д.Р. Маилян, П.П. Польской, Мерват Хишмах, К.В. Кургин // Инженерный вестник Дона. - 2013. - №4. - с. 212-214.

21 Негматуллаев, С.Х. Арматура базальтопластиковая: характеристики, производство, применение / С.Х. Негматуллаев, В.Ф. Степанова // Технология бетонов. - 2016. - № 5-6. - с. 32-39.

22 Нейронные сети STATISTICA Neural Networks: Методология и технологии современного анализа данных / В.П. Боровиков. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 392 с.

23 Польской, П.П. О влиянии стеклопластиковой арматуры на прочность нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона / П.П. Польской, Мерват Хишмах, Михуб Ахмад // Инженерный вестник Дона. - 2012. - №4. -с. 35-37.

24 Починок, В.П. Особенности предельных стадий работы тонких стенок железобетонных изгибаемых элементов / В.П. Починок, Р.Г. Балоян // Новые исследования бетона и железобетона / Под общ. ред. Д.Р. Маиляна и В.К. Оси-пова ; СевкавНИПИагропром. - Ростов-на-Дону, 1997. - с. 24-27.

25 Починок, В.П. Работа на поперечную силу предварительно-напряженных ар-моцементных изгибаемых элементов: дис. канд. техн. наук : 05.23.01 / Починок Владимир Петрович. - Краснодар, 1981. - 187 с.

26 Прогнозирование в системе STATISTICA в среде WINDOWS / В.П. Боровиков, Г.И. Ивченко. - М.: Финансы и статистика, 2000. - 384 с.

27 Прочность железобетонных конструкций при действии поперечный сил / А.С. Залесов, Ю.А. Климов. - Киев: Будивэльнык, 1989. - 107 с.

28 Пукелис, П.Ю. К расчету прочности железобетонных элементов по наклонным сечениям по СНиП II- 21-75 // Науч. тр. / Вильнюс. инж.-строит. инст. -1977. - вып. 8. - с. 105-111.

29 Расчет железобетонных конструкций по прочности, трещиностойкости и деформациям / А.С. Залесов, Э.Н. Кодыш, Л.Л. Лешыш, И.К. Никитин. - М.: Стройиздат, 1988. - 320 с.

30 Расчет отогнутых стержней и хомутов в изгибаемых железобетонных элементах по стадии разрушения / М.С. Боришанский, А.А. Гвоздев. - М.: Стройиз-дат, 1946. - 80 с.

31 Рахмонов, А.Д. Прочность, жесткость и трещиностойкость неразрезных бетонных балок с комбинированным армированием: дис. канд. техн. наук : 05.23.01 / Рахмонов Ахмаджон Джамолиддинович. - Йошкар Ола, 2014. -160 с.

32 Рекомендации по расчету конструкций со стеклопластиковой арматурой. - М.: НИИЖБ, 1978. - 20 с.

33 Салия, Г.Ш. Бетонные конструкции с неметаллическим армированием / Г.Ш. Салия, А.Л. Шагин. - М.: Стройиздат, 1990. - 144 с.

34 СНиП II-B.1-62. Бетонные и железобетонные конструкции // Нормы проектирования / Л.Е.Темкин, А.А.Гвоздев. - Взамен СНиП II-21-71. - Введ. 1962-0731. -102 с.

35 СНиП II-21-75. Бетонные и железобетонные конструкции. - Взамен СНиП II-B.1-62*, СНиП I-ß.3-62 и др. ; введ. 1977-01-01. - М.: Стройиздат, 1976. - 89 с.

36 СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции. - Взамен СНиП II-21-75 и СН 511-78 ; Введ. 1986-01-01. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. -79 с.

37 СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. -Взамен СНиП II-Д, 7-62*, СН 200-62 и СН 365-67.; Введ. 1986-01-01. - М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 243 с.

38 СП 295.1325800.2017. Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования - Введ. 2018-01-12. - М.: Минстрой России, 2017. - 55 с.

39 СП 35.13330.2011. Мосты и трубы : Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84. - Введ. 2011-05-20. - М.: ЦПП, 2011. - 347 с.

40 СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения : Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. - Введ. 2019-06-20. - М.: Минстрой России, 2018. - 124 с.

41 Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции / Н.П. Фролов. - М.: Стройиздат, 1980. - 104 с.

42 Степанова, В.Ф. Неметаллическая композитная арматура для бетонных конструкций / В.Ф. Степанова, А.Ю. Степанов // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - №1. - с. 45-47.

43 Тамов М.М. Прочность тонких стенок железобетонных балок на приопорных участках с учетом предыстории загружения: дис. канд. техн. наук : 05.23.01 / Тамов Мурат Мухамедович. - Краснодар, 2013. - 208 с.

44 Тамов, М.М. Инженерная методика расчета сопротивления стенки армированных бетонных двутавровых балок по прочности сжатого бетона между наклонными трещинами / М.М. Тамов, О.В. Руденко, С.В. Усанов // Электронный сетевой политематический журнал «Научные труды КубГТУ». -Краснодар, 2022. - №5. - с. 10-21.

45 Тамов М.М. Нейросетевое прогнозирование сопротивления поперечной силе армированных бетонных двутавровых балок/ Тамов М.М., Руденко О.В., Усанов С.В. // Вестник МГСУ. - 2022. - №9 - с. 1145-1159.

46 Тур, В.В. Применение базальтопластиковой арматуры при изготовлении самонапряженных конструкций / В.В. Тур, О.С. Семенюк // Вестник Брестского государственного технического университета. - 2013. - №1. - с. 99-103.

47 Уманский, А.М. Совершенствование методов расчета конструкций морских гидротехнических сооружений из композитбетона с использованием базальто-пластиковой арматуры: дис. канд. техн. наук : 05.23.07 / Уманский Андрей Михайлович. - Владивосток, 2017. - 173 с.

48 Усанов, С.В. Особенности применения композитной полимерной арматуры в качестве поперечного армирования бетонных конструкций / С.В. Усанов,

М.М. Тамов // Девелопмент и инновации в строительстве: сборник статей Международного научно-практического конгресса. - Уфа: ОМЕГА САЙНС, 2018. - с. 285-291 с.

49 Усанов, С.В. Трещиностойкость приопорных зон двутавровых балок с поперечным армированием из базальтокомпозитной арматуры / С.В. Усанов, М.М. Тамов // Инженерный вестник Дона. - Краснодар, 2022. - 18 с.

50 Abdalla, JA. Modeling and simulation of shear resistance of R/C beams using artificial neural network / Jamal A. Abdalla, A. Elsanosi, A. Abdelwahab // Journal of the Franklin Institute. - December 2005. - P. 741-756.

51 Abed, F. Experimental and finite element investigation of the shear performance of BFRP-RC short beams / Farid Abed, Ahmed El Refai, Suliman Abdalla // Journal of The Institution of Structural Engineers. - 2019 - P. 689-701.

52 ACI 440.1R-15. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Bars / American Concrete Institute. -Farmington Hills, MI, March 2015. - 88 pp.

53 Ando, N. Experimental studies on the long-term tensile properties of FRP tendons / N. Ando, H. Matsukawa, M. Kawamura, M. Fujii, T. Miyagawa, S. Inoue // Aedifi-catio Publishers. - Freiburg, Germany - pp. 1893-1902.

54 Artemenko, S.E. Polymer composite materials made from carbon, basalt, and glass fibres. Structure and properties / Saratov State Technical University. - 2003. -Vol. 35, No. 3. - P. 226-229.

55 Ahmed, E.A. Shear Behavior of Concrete Beams Reinforced with a Fiber Reinforced Polymer (FRP) Stirrups / The University of Sherbrooke. - Canada, June 2009. - 291 pp.

56 Banibayat, P. Variability of mechanical properties of basalt fiber reinforced polymer bars manufactured by wet-layup method / Pouya Banibayat, Anil Patnaik // Materials and Design. - 2013. - pp. 898-906.

57 British Institution of Structural Engineers (BISE). Interim guidance on the design of reinforced concrete structures using fiber composite reinforcement / London: British Institution of Structural Engineers, 1999.

58 Bywalski, C. Shear Behavior of Concrete Beams Reinforced with A New Type of Glass Fiber Reinforced Polymer Reinforcement: Experimental Study / Czeslaw Bywalski, Michal Drzazga, Maciej Kazmierowski, Mieczyslaw Kaminski // Wroclaw University of Science and Technology. - 2020. - 17pp.

59 CAN/CSA-S806-02 Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers / Canadian Standards Association. - 2009. - 177 pp.

60 CNR-DT 203/2006. Guide for the Design and Construction of Structural Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars / Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction. - Rome, June 2007. - 35pp.

61 Deak, T. Chemical Composition and Mechanical Properties of Basalt and Glass Fibers: A Comparison / T. Deak, T. Czigany // SAGE Publications. - 2009. - pp. 645651.

62 Dehkordi, M.T. Low velocity impact properties of interplay hybrid composites based on basalt and nylon woven fabrics / M. T. Dehkordi, H. Nosraty, M.M. Shokrieh, G. Minak, D. Ghelli // Materials and Design. - 2010. - pp. 3835-3844.

63 Dhand, V. A short review on basalt fiber reinforced polymer composites / V. Dhand, G. Mittal, K.Y. Rhee, S. Park, D. Hui // Composites: Part B. - 2015. - pp. 166-180.

64 Dhand, V. Study on the Effect of Silanization and Improvement in the Tensile Behavior of Graphene-Chitosan-Composite / V. Dhand, D.S. Kim, K.Y. Rhee, S. Park // Polymers. - 2015. Vol.7 - pp. 527-551.

65 Dhand, V. Fabrication of Modified MMT/Glass/Vinylester Multiscale Composites and Their Mechanical Properties / V. Dhand, G. Mittal, J.Y. Ryu, K.Y. Rhee, H. Kim // Journal of nanomaterials. - 2015. - 9 pp.

66 EN 1992-1-1. Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings / The European Committee for Standardization. - 2004. -225 pp.

67 FIB bulletin 40. FRP reinforcement in RC structures. - 2007. - 147 pp.

68 Fiber-Reinforced Polymer Products for Overhead Utility Line Structures. - 2003. -89 pp.

69 Gay, D. Composite materials. Desing and applications / Daniel Gay, Suong V. Hoa, Stephen W. Tsai // CRC Press LLC. - 2003. - 523 pp.

70 Hollaway, L.C. The evolution of and the way forward for advanced polymer composites in the civil infrastructure / Construction and Building Materials. - 2003. -Vol. 17. - pp. 365-378.

71 Hollaway, L.C. A review of the present and future utilisation of FRP composites in the civil infrastructure with reference to their important in-service properties / Construction and Building Materials. - 2010. - pp. 2419-2445.

72 Hsu, T.T.C. Nonlinear Analysis of Membrane Elements by Fixed-Angle Softened-Truss Model / T.T.C. Hsu and L.X. Zhang // Structural Journal of the American Concrete Institute. - 1997. - Vol. 94, No. 5. - pp. 483-492.

73 Hsu, T.T.C. Softened Membrane Model for Reinforced Concrete Elements in Shear / T.T.C. Hsu and R.R.H. Zhu // Structural Journal of the American Concrete Institute. - 2002. - Vol. 99, No. 4. - pp. 460-469.

74 Hsu, T.T.C. Tension Stiffening in Reinforced Concrete Membrane Elements / T.T.C. Hsu and L. X. Zhang // ACI Structural Journal. - 1996. - Vol. 93, No. 1. -pp. 108-115.

75 Hsu, T.T.C. Unified Theory of Concrete Structures / T.T.C. Hsu, Y.L. Mo. - New York : John Wiley & Sons, 2010. - 500 pp.

76 Hsu, T.T.C. Unified Theory of Reinforced Concrete / T.T.C. Hsu. - Boca Raton, FL : CRC Press, 1993. - 336 pp.

77 ISO 10406-1. Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete - Test methods / International standard. - 2008. - 40 pp.

78 JSCE (1997). Recommendation for Design and Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforcing Materials / Research Committee on Continuous Fiber Reinforcing Materials / Japan Society of Civil Engineers, October 1997. -325 pp.

79 Krall, M. Concrete beams with different arrangements of GFRP flexural and shear reinforcement / M. Krall, M.A. Polak // Department of Civil and Environmental En-

gineering, University of Waterloo, Canada / Engineering Structures 198, 2019. -12 pp.

80 Krall, M. Concrete beams with different arrangements of GFRP flexural and shear reinforcement / M. Krall, M.A. Polak // Engineering Structures. - 2019. - 12 pp.

81 Kurth, M.C. Zum Querkrafttragverhalten von Betonbauteilen mit Faserverbundkunststoff-Bewehrung / Martin Christof Kurth // Von der Fakultät für Bauingenieurwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen, 2012. - 297 pp.

82 Laffey, N. Leveraging Technology for Transportation Agency Workforce Development and Training / N. Laffey - Illinois, 2017. - 124 pp.

83 Lee, J.H. The tensile and thermal properties of modified CNT-reinforced bas-alt/epoxy composites / J.H. Lee, K.Y. Rhee, S.J. Park // Department of Chemistry, Inha University, Republic of Korea / Materials Science and Engineering A 527, 2010. - pp. 6838-6843.

84 Leonhardt, F. The Stuttgart Shear Tests 1961: C.&C.A. Library Translation No. 111 / F. Leonhardt and R. Walther. - London: Cement and Concrete Association, 1964. - 134 pp.

85 Leonhardt, F. Welded Wire Mesh as Stirrup Reinforcement. Shear Tests on TBeams and Anchorage Tests : W. Dilger, trans. / F. Leonhardt and R. Walther //Die Bautechnik - Oct. 1965. - v. 42.

86 Liu, Q. Investigation of Basalt Fiber Composite Mechanical Properties for Applications in Transportation / Qiang Liu, Montgomery T. Shaw, Richard S. Parnas // Department of Chemical Engineering and Polymer Program, Institute of Materials Science, University of Connecticut, Storrs, Connecticut, 2006. - pp. 41-48.

87 Liu, W.K. Eighty Years of the Finite Element Method: Birth, Evolution, and Future/ W.K. Liu, S. Li, H.S. Park // Archives of Computational Methods in Engineering, №29, 2022. - pp. 4431-4453.

88 MacGregor, J.G. Reinforced Concrete Mechanics and Design / J.G. MacGregor. - 3rd ed. - New Jersey : Prentice Hall, 1997. - 938 pp.

89 Manikandan, V. Investigation of the effect of surface modifications on the mechanical properties of basalt fibre reinforced polymer composites / V. Manikandan,

J.T. Jappes, S.M. Kumar, P. Amuthakkannan // Composites: Part B 43, 2012. -pp. 812-818.

90 Mansour, M.Y. Predicting the shear strength of reinforced concrete beams using artificial neural networks / M.Y. Mansour, M. Dicleli, J.Y. Lee, J. Zhang // Engineering Structures. - Accepted 2004-01-05. - pp. 781-799.

91 Man, A. Shear design of FRP reinforced concrete beams without transverse reinforcement / A. Mari, A. Cladera, E. Oller, J. Bairan // Composites: Part B 57, 2014. - pp. 228-241.

92 Maruyama, K. Flexural and shear behavior of concrete beams reinforced with FRP rods / K. Maruyama, W. Zhao / In: Swamy RN (ed.) Corrosion and corrosion protection of steel in concrete / Sheffield: Sheffield Academic Press, 1994. - pp.1330 -1339.

93 Maruyama, K. Shear Design Consideration for Pretensioned Prestressed Beams / K. Maruyama and S.H. Rizkalla // ACI Structural Journal. - September-October 1988. - vol. 85, No. 5. - pp. 492 - 498.

94 Meier, U. Carbon Fiber-Reinforced Polymers : Modern Materials in Bridge Engineering / U. Meier // Science and Technology / Dubendorf, Switzerland. - pp. 7-12.

95 Nagasaka, T. Shear Performance of Concrete Beams Reinforced with FRP Stirrups / T. Nagasaka, H. Fukuyama, Masamaru Tanigaki / SP-138: Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures - International Symposium / Published 1993-09-01.

96 Nanni, А. Design and construction of concrete reinforced with FRP bars : an emerging technology / Antonio Nanni and Salem Faza. - pp. 1-18.

97 Niewels, J. Zum Tragverhalten von Betonbauteilen mit FaserverbundkunststoffBewehrung / Jörg Niewels // Von der Fakultät für Bauingenieurwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen, 2008. - 299 pp.

98 Pavlovski, D. CNG cylinder manufacturers test basalt fibre / Dmitri Pavlovski, Ka-menny Vek // Reinforced plastics. - April 2007. - pp. 36-39.

99 Peng, F. Database Evaluation of Shear Strength of Slender Fiber - Reinforced Polymer Reinforced Concrete Members / Fei Peng // Aci Structural Journal. - May 2020.

100 Perera, R. Prediction of the ultimate strength of reinforced concrete beams FRP-strengthened in shear using neural networks / R. Perera, M. Barchin, A. Arteaga, A. De Diego // Composites: Part B, 2010. - pp. 287-298.

101 Ramadass, S. Shear strength prediction of concrete beams reinforced with FRP bars using IS: 456-2000 / Ramadass and Job Thomas // American Journal of Engineering Research (AJER) / Cochin University of Science and Technology, Kochi, Kerala, India, 2013. - P. 43-48.

102 Rangan, B.V. Web Crushing Strength of Reinforced and Prestressed Concrete Beams // ACI Structural Journal. - Jan. -Feb. 1991. - V. 88, No. 1. - P. 12-16.

103 Rizkalla, S. FRP for Prestressing of Concrete Bridges in Canada / Sami Rizkalla, Gamil Tadros. - 2003. - 13 pp.

104 Robinson, J.R. Essai de Traction-Compression sur Modeles d'Ames de Poutre en Beton Arme : Compte Rendu Partiel I / U.T.I., Institut de Recherches Appliquees du Beton Arme ; J.R. Robinson and J.M. Demorieux. - Paris, France,1968. - 43 pp.

105 Robinson, J.R. Essais à l'Effort Tranchant de Poutres à âme Mince en Béton Armé //Annales des Ponts et Chaussees (Paris). - Mar. -Apr. 1961. - V. 131, No.2. - pp. 225-255.

106 Rudzinskis, E. Flexural behaviour of BFRP rebar reinforced concrete beams / Ed-garas Rudzinskis // The Plymouth Student Scientist, 2017, 10 (2). - pp. 134-170.

107 Seki, H. Test Method on Creep of Continuous Fiber Reinforcing Materials / H. Seki, K. Sekijima, T. Konno, T / Proceedings of the Third International Symposium on NonMetallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures (FRPRCS-3), Sapporo, Japan, 1997, V. 2. - pp.195-202.

108 Shehata, E. Fibre reinforced polymer shear reinforcement for concrete members: behaviour and design guidelines / Emile Shehata, Ryan Morphy, Sami Rizkalla / Can. J. Civ. Eng. Vol. 27, 2000. - pp. 859-872.

109 Shehata, E. Fibre-Reinforced Polymer for Shear Reinforcement in Concere Structures: Ph.D. Dissertation / Emile Shehata. - Winnipeg, Manitoba, 1999. - 414 pp.

110 Sonnenschein, R. FRP Composites and Their Using in the Construction of Bridges / Robert Sonnenschein, Katarina Gajdosova, Ivan Holly // Procedia Engineering 161, 2016. - pp. 477 - 482.

111 STATISTICA 6. Статистический анализ данных / А.А. Халафян. - М.: Бином, 2006. - 512 с.

112 Van de Velde, K. Basalt fibres as reinforcement for composites / K. Van de Velde, P. Kiekens, L. Van Langenhove / Department of Textiles, Ghent University, Technologiepark 907, B-9052 Zwijnaarde, Belgium. - 2 pp.

113 Wang, J. Constitutive Relationships of Prestressed Concrete Membrane Elements: Ph.D. Dissertation / Jun Wang. - Houston, TX, 2006. - 306 pp.

114 Wight, J.K. Reinforced concrete : mechanics and design 6E / J.K. Wight, J.G. Macgregor. - 2009. - 1177 pp.

115 Yao, W. Numerical Seismic Performance Model of Frame-Supported Shear Wall with Carbon Fibre Reinforced Plastic Bars in Transfer Beam based on OpenSees /W. Yao, S. Jiang, S. Tao, S. Wu. - Chemical engineering transactions. - 2018. -Vol. 66. - pp. 1118-1122.

116 Zaki, M. Evaluation of Concrete Shear Strength for FRP Reinforced Beams / M. Zeidan, M. A. Barakat, Z. Mahmoud, A. Khalifa. - Alexandria University. - Egypt, 2011. - 12 pp.

117 Zhu, R.R.H. Poisson Effect of Reinforced Concrete Membrane Elements /R.R.H. Zhu and T.T.C. Hsu // Structural Journal of the American Concrete Institute.- Sept.-Oct. 2002. - Vol. 99, No. 5. - pp. 631-640.

118 Zhu, R.R.H. Rational Shear Modulus for Smeared Crack Analysis of Reinforced Concrete / R.R.H. Zhu, T.T.C. Hsu and J.Y. Lee // Structural Journal of the American Concrete Institute. - July-August 2001. - Vol. 98, No. 4. - pp. 443-450.

119 Zhu, R.R.H. Softened-Membrane Model for Cracked Reinforced Concrete Considering Poisson Effect : Ph.D. Dissertation / Ronnie R.H. Zhu. - Houston, TX, 2000.

Приложение А

Патент на полезную модель

ли 163 303 ш

Полезная модель относится к строительству, а именно к установкам для научных и/или производственных испытаний крупномасштабных моделей и натурных образцов строительных, мостовых и тому подобных конструкций на поперечный изгиб.

Известна установка для испытания крупномасштабных моделей балочных 5 конструкций и натурных образцов конструкций по патенту на изобретение РФ №2262698, кл. йОШ 33/38, 2005 г., включающая основание, опорные стойки, нагружающее устройство. При этом нагружающее устройство выполнено с возможностью приложения знакопеременных нагрузок и снабжено реверсным механизмом. Реверсный механизм выполнен в виде двух пар вертикальных тяг, которые соединены между собой двумя ю траверсами, одна пара тяг жестко установлена на основании, а другая выполнена с возможностью закрепления на балочной конструкции. Траверсы установлены горизонтально одна над другой, а на нижней установлен источник дискретной нагрузки, который может быть выполнен в виде гидравлического домкрата. Причем каждая тяга снабжена регулировочными гайками для регулировки свободного хода траверс и тяг 15 и изменения направления действия нагрузок. Недостатками этой установки являются необходимость создания специального силового пола, устраиваемого по грунту, и невозможность изменения мест приложения нагрузки по длине рамы.

Известна рычажно-рамная испытательная установка для балочных конструкций по патенту на полезную модель РФ № 114154, кл. СО IN 3/00,2012 г., состоящая из замкнутой 20 прямоугольной рамы, в вертикальной плоскости которой продольно установлен рычаг, проходящий в зазор одной из сток рамы, шарнирная опорная точка которого с помощью стержней прикреплена к нижнему ригелю и стойке рамы, при этом выше на стойках рамы закреплены опорные столики для испытываемой конструкции, с установленными над и под ней съемными траверсами и съемными тяжами, при этом между верхней 25 съемной траверсой и верхним ригелем дополнительно установлен съемный

гидравлический домкрат для создания комбинированного сложного нагружения. Недостатком установки является невозможность испытания образцов с размерами, близкими к натурным, отсутствие промежуточных опор для испытываемых образцов. Кроме того, конструкция установки не позволяет регулировать расположение образцов зо по высоте.

Задачей полезной модели является создание установки для статических испытаний крупномасштабных моделей строительных конструкций на поперечный изгиб с размерами близкими к натурным, с возможностью изменения положения испытываемых образцов по высоте.

35 Технический результат заключается в возможности испытания двух- и трехпролетных образцов и одновременного испытания двух образцов за счет введения в конструкции рамы промежуточных стоек.

Технический результат достигается тем, что установка для статических испытаний крупномасштабных моделей строительных конструкций на поперечный изгиб, включает 40 замкнутую прямоугольную раму с двумя стойками с отверстиями и установленными в эти отверстия опорными столиками, верхним и нижним ригелями, причем в конструкцию прямоугольной рамы при испытании двух испытываемых образцов одновременно или одного образца по двух- или трехпролетной схеме вводят дополнительные стойки с отверстиями по всей высоте для установки динамометрических 45 опор в уровне расположения опорных столиков основных стоек рамы.

Усилия в элементах замкнутой рамы, возникающие при приложении нагрузки к испытываемому образцу, снижаются благодаря, установленным на промежуточных стойках и закрепленным на ригелях рамы дополнительным опорам, которые являются

ли 163 303 ш

необходимыми при испытании одного образца по двух и трехпролетной схемам или при испытании двух образцов одновременно,

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема предлагаемой установки для статических испытаний крупномасштабных моделей строительных конструкций на поперечный изгиб с одновременным загружением двух образцов, на фиг. 2 - с загружением образца по двухпролетной схеме.

Установка для статических испытаний крупномасштабных моделей строительных конструкций на поперечный изгиб содержит прямоугольную раму с двумя стойками I и 2, верхним и нижним ригелями 3 и 4 соответственно. По всей высоте стоек 1 и 2 прямоугольной рамы выполнены отверстия, в которые установлены опорные столики 5, что позволяет размещать испытываемый образец 6 в прямоугольной раме в разных уровнях по высоте. Для обеспечения устойчивости при действии сжимающих усилий стойки I и 2 Прямоугольной рамы выполнены двухветвевыми. В образованный при этом зазор между ветвями стоек при необходимости может быть пропущен испытываемый образец 6.

Для испытания двух испытываемых образцов 6 одновременно (фиг. I) или с загружением одного испытываемого образца 6 но двух- и трехпролетной схеме (фиг. 2) в конструкцию прямоугольной рамы вводят дополнительные стойки 7. По всей дине дополнительных стоек 7 устраивают отверстия для крепления опорных столиков 5 на одном уровне с отверстиями в стойках I и 2. В местах расположения дополнительных стоек 7 для обеспечения местной устойчивости стенок в верхнем и нижнем ригелях 3 и 4 устраивают ребра жесткости.

Для обеспечения проектного положения прямоугольной рамы между нижними торцами стоек \ и 2 и основанием устанавливают горизонтальный опорный элемент, расположенный перпендикулярно плоскости прямоугольной рамы.

В месте соединения стоек 1, 2 и верхнего и нижнего ригелей 3,4 создают рамный узел для уменьшения значений пролетных усилий. Для этого к стойкам 1 и 2 приваривают пластины, служащие упорами для верхнего ригеля 3 и нижнего ригеля 4 при приложении нагрузки любого знака и воспринимающие нагрузки любого знака и воспринимающие поперечную силу. В свою очередь, изгибающие моменты в рамном узле воспринимаются высокопрочными болтами, при помощи которых верхний ригель 3 и нижний ригель 4 соединяют со стойками 1 и 2. В уровне расположения верхних и нижних поясов ригеля в стойке устраивают ребра жесткости.

Установка для статических испытаний крупномасштабных моделей строительных конструкций на поперечный изгиб работает следующим образом. Испытываемый образец 6 устанавливают на опорные столики 5 стоек I и 2, после чего к нему прикладывают нагрузку Мс. в соответствии с принятой схемой (фиг. 1). При испытании двух испытываемых образцов 6 одновременно в конструкцию прямоугольной рамы вводят две дополнительные стойки 7. Положение дополнительных стоек 7 определяют длиной испытываемых образцов 6. В случае испытания испытываемого образца 6 по двух- или трехпролетной схеме (фиг. 2) устанавливают одну или две промежуточные дополнительные стойки 7. В этом случае для раскрытия статической неопределимости опоры Д дополнительных стоек 7 выполняют динамометрическими.

Формула полезной модели Установка для статических испытаний крупномасштабных моделей строительных конструкций на поперечный изгиб, включающая замкнутую прямоугольную раму с двумя стойками с отверстиями и установленными в эти отверстия опорными столиками,

Приложение Б

Текст файла входных данных балки Б1 для фреймворкаOpenSees

# Beam B1.tcl

#..............................

# Units: N, mm, sec, MPa

#..............................

#..............................

# Start of model generation

#..............................

#.........................................................

# Create nodes needed for beams and columns (3dof)

#.........................................................

wipe;

set A 42; #Loading Node set B 50; #Loading Node set C 33; #Control Node

# set dimension of the mesh

set L 2520; set H 240; set deltaL 210; set deltaH 120; set nL [expr $L/$deltaL]; set nH [expr $H/$deltaH];

#12 elements along length # 2 element along depth

set topH 240; set botH 0; set pt 40; set W 180; set t 30;

# set material properties

set E 200000.0; # Young's modulus for A500 set fy 540; # Tensile strength for A500 set Efrp 65916.1; # Young's modulus for FRP set fyfrp 1305.7; # Tensile strength for FRP set fc -27; #fc for flanges

set wfc 27; #Leave specially separate fc for the web

set Ets 4000; #Tension softening modulus for the bottom flange

set ec 0.002;

# set amount of reinforcement

set rou1 0.0206; # web - longitudinal direction set rou2 0.004; # web - transverse direction set NumBars 2; # number of bars in bottom flange

# local coordinates of flanges set topZ2 [expr (280-$deltaH)*0.5]; set topZ1 [expr ($topZ2-$pt)];

set botZ1 [expr ($deltaH-280)*0.5]; set botZ2 [expr $botZ1+$pt];

#..............................................................................

# Create ModelBuilder for beams and columns (with two-dimensions and 3 DOF/node)

#..............................................................................

model basic -ndm 2 -ndf 3 #.........................................................

# Create nodes needed for beams and columns (3dof)

#.........................................................

# Create nodes for beams and columns

# tag X Y

set nodeStartID [expr ($nH+1)*($nL+1)+1]; # 40 set eleStartID [expr $nH*$nL+1]; # 25

setj 0;

#j from 0 to 12, bot nodes from 40 to 52, top nodes from 66 to 78

while {$j < [expr $nL+1]} {

node [expr $nodeStartID+$j] [expr $j*$deltaL] [expr $botH]

node [expr $nodeStartID+2*$nL+2+$j] [expr $j*$deltaL] [expr $topH]

set j [expr $j+1]

}

# tag DX DY RZ

fix [expr $nodeStartID] 1 1 0 ; #fix node 40 fix [expr $nodeStartID+$nL] 0 1 0 ; #fix node 52

#..................................................

# Define materials for nonlinear columns and beams

# --------------------------------------------------

# STEEL

# Reinforcing steel

uniaxialMaterial Concrete01 1 $fc -0.002 -16.6 -0.008 uniaxialMaterial Concrete02 4 $fc -0.002 -16.6 -0.008 0.1 1.73 4000

# for steel A500 bars fy=540MPa uniaxialMaterial Steel01 2 $fy $E 0.001

# for FRP d=4 fy=1305.7 MPa (izraschetnoytablici) uniaxialMaterial Steel01 3 $fyfrp $Efrp 0.001

# diam. 14 bar set As1 154

# diam. 4 bar set As2 12.6

# diam. 6 bar

set As3 28.3

#...............................................

# Define cross-section for nonlinear beams

# -----------------------------------------------

# set some paramaters

# for top flange

section Fiber 1 { # top flange

patch rect 1 10 4 [expr -$W/2] [expr $topZ1] [expr $W/2] [expr $topZ2]

layer straight 2 2 $As3 -78 [expr 4-($pt/2-$topZ2)] 78 [expr 4-($pt/2-$topZ2)]

}

# for bottom flange section Fiber 2 {

# bottom flange

patch rect 4 10 4 [expr -$W/2] [expr $botZ1] [expr $W/2] [expr $botZ2]

layer straight 2 $NumBars $As1 -56 [expr -1+($botZ2-$pt/2)] 56 [expr -1+($botZ2-

$pt/2)] }

# ----------------------------------------------------------

# Define beam elments

# ---------------------------------------------------------

geomTransf Linear 2

set np 3; # Number of integration points set iterNum 10; set iterTol 1e-2;

set i 0;

while {$i< [expr $nL]} {

# bottom beams 25-36 40-51 41-52

element nonlinearBeamColumn [expr $eleStartID+$i] [expr $nodeStartID+$i] [expr $nodeStartID+1+$i] $np 2 2 -iter $iterNum $iterTol

# top beams 37-48 66-77 67-78 element nonlinearBeamColumn [expr $eleStartID+$nL+$i] [expr

$nodeStartID+2*$nL+2+$i] [expr $nodeStartID+2*$nL+3+$i] $np 1 2 -iter $iterNum $iterTol

set i [expr $i+1]

}

# -------------------------------------------------------------------------

# Create ModelBuilder for 2D element (with two-dimensions and 2 DOF/node)

# -------------------------------------------------------------------------

model basic -ndm 2 -ndf 2

# Create nodes & add to Domain - command: node nodeldxCrdyCrd #j from 0 to 2, i from 0 to 12, bot nodes from 1 to 13, top nodes from 14 to 26

setj 0;

while {$j < [expr $nH+1]} { set i 0;

while {$i< [expr $nL+1]} { node [expr $j*($nL+1)+$i+1] [expr $i*$deltaL] [expr $j*$deltaH] set i [expr $i+1]

}

set j [expr $j+1]

}

fix 1 1 1 fix [expr $nL+1] 0 1

# tie nodes between beam, column and 2D elements

# equalDOF 1 27 1 2 equalDOF 2 41 1 2 equalDOF 3 42 1 2 equalDOF 4 43 1 2 equalDOF 5 44 1 2 equalDOF 6 45 1 2 equalDOF 7 46 1 2 equalDOF 8 47 1 2 equalDOF 9 48 1 2 equalDOF 10 49 1 2 equalDOF 11 50 1 2 equalDOF 12 51 1 2

# equalDOF 13 39 1 2

equalDOF 27 66 1 2

equalDOF 28 67 1 2

equalDOF 29 68 1 2

equalDOF 30 69 1 2

equalDOF 31 70 1 2

equalDOF 32 71 1 2

equalDOF 33 72 1 2

equalDOF 34 73 1 2

equalDOF 35 74 1 2

equalDOF 36 75 1 2

equalDOF 37 76 1 2

equalDOF 38 77 1 2 equalDOF 39 78 1 2

# -----------------------------------------------------------------

# Define materials for 2D PrestressConcretePlaneStress element

#.................................................................

# set fc fy E set ec 0.002;

# UniaxialMaterial: steelZ01

# tag fy E0 fpcrou

uniaxialMaterial SteelZ01 11 $fy $E $wfc $rou1 uniaxialMaterial SteelZ01 12 $fyfrp $Efrp $wfc $rou2

# UniaxialMaterial: concreteZ01

# ConcreteZ01 tag fc ec0

uniaxialMaterial ConcreteZ01 13 [expr -$wfc] [expr -$ec] uniaxialMaterial ConcreteZ01 14 [expr -$wfc] [expr -$ec]

set pi 3.141592654

# NDMaterial: ReinforceConcretePlaneStress

# tag rho s1 s2 c1 c2 angle1 angle2 rou1 rou2 fc fy1 E0

nDMaterialFAReinforcedConcretePlaneStress15 0.0 11 12 13 14 [expr 0.0*$pi] [expr 0.5*$pi] $rou1 $rou2 $wfc $fyfrp $Efrp $ec

#.................................................................

# Define 2D ReinforceConcretePlaneStress element

#.................................................................

set j 0;

while {$j < $nH} { set i 0;

while {$i< [expr $nL]} {

# Create quad elements - command:

# element quad elelD node1 node2 node3 node4 thick typematID

element quad [expr $j*$nL+$i+1] [expr $j*($nL+1)+$i+1] [expr $j*($nL+1)+$i+2] [expr ($j+1)*($nL+1)+$i+2] [expr ($j+1)*($nL+1)+$i+1] $t Plan-eStress 15

#element quad [expr $j*$nL+($i+$nL/2)+1] [expr $j*($nL+1)+($i+$nL/2)+1] [expr $j*($nL+1)+($i+$nL/2)+2] [expr ($j+1)*($nL+1)+($i+$nL/2)+2] [expr ($j+1)*($nL+1 )+($i+$nL/2)+1] $t PlaneStress 16

set i [expr $i+1] }

set j [expr $j+1]

}

model basic -ndm 2 -ndf 3 # ----------------------------------------------------

# Start of modeling for vertical loads to 200kips

# ----------------------------------------------------

# print Beam B1.ser

set P1 1000;

# Create a Plain load pattern with a linear TimeSeries pattern Plain 2 "Linear" {

# Create the nodal load - command: load nodelDxForceyForce load [expr $A] 0 [expr -$P1] 0; load [expr $B] 0 [expr -$P1] 0;

}

# ------------------------------

# End of model generation

#..............................

# ------------------------------

# Start of analysis generation

#..............................

# Create the system of equation, a sparse solver with partial pivoting system BandGeneral

# Create the constraint handler constraints Plain

# Create the DOF numberer numberer Plain

# Create the convergence test test NormDisplncr 1.0e-1 100 5

# Create the solution algorithm algorithm KrylovNewton

# Create the integration scheme, the DisplacementControl scheme integrator DisplacementControl [expr $C] 2 -0.0026

# Create the analysis object analysis Static

# puts "analysis performed"

# initialize in case we need to do an initial stiffness iteration

# initialize

#..............................

# End of analysis generation

#..............................

# Create a recorder to monitor nodal displacements

recorder Node -file Beam B1.out -time -node 30 [expr $C] 36 -dof 2 disp

# perform the analysis analyze 9000

# Print out the state of nodes puts "FINISH!"

Приложение В

Документы о внедрении результатов работы

Общество с ограниченной ответственностью

«НЗК»

ИНН/КПП 5257168741/525701001, ОГРК 1175275000416

603092, г. Нижний Новгород, ул. Тепличная, д.2 А, литер Ч.

исх.9 от 22.02.2023

В диссертационный совет Д.24.2.297.02 Донского государственного технического университета

Сообщаем Вам, что ведущими специалистами ООО «НЗК» рассмотрены материалы диссертации Усанова Сергея Владимировича на соискание ученой степени кандидата технических наук по теме: «Сопротивление поперечной силе бетонных двутавровых балок с композитным поперечным армированием и совершенствование методов их расчета».

Направление исследования, на наш взгляд, является актуальным и представляет практический интерес. По результатам проведенного Усановым C.B. исследования было принято решение о внесении изменений в стандарт предприятия в части рекомендаций по изготовлению изделий для поперечного армирования изгибаемых элементов

Директор ООО «НЗК»