1. Введение

Композиционные материалы все больше приобретают популярность в строительной индустрии, их применяют от отделки зданий до использования в несущих строительных конструкциях. Проблемы расчета таких систем в настоящее время является актуальной и болезненной. Зарубежные ученые давно ведут исследования в этой области и добились определенных успехов. 
В нашей стране, к сожалению, нет специальной базы, на основе которой можно изучать современные композитные строительные конструкции. Только в 2014 году Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации разработала и выпустила свод правил проектирования усиления железобетонных конструкций композитными материалами (СП 164.1325800.2014). 
Однако нет нормативных документов, позволяющих комплексно спроектировать конструкцию состоящей из композиционных материалов которые позволили бы учесть различные факторы, влияющие на работу композитной части конструкции. 

2. Прочность фибробетона, как композита армированного дискретными волокнами

Анализ напряженно – деформированного состояния фибробетонной колонны высотой l ,площадью квадратного поперечного сечения со стороной а и загруженной сосредоточенной силой F вдоль продольной оси колонны (рис.1) произведем по математической модели Аутуотера [1]. В этой модели предполагается, что окружающая волокно матрица при затвердевании сжимается, что приводит к появлению на поверхности матрицы и волокна сжимающих напряжений.

Для упрощения выводов примем, что волокна фибры расположены параллельно оси колонны, хотя в реальности волокна фибры могут быть расположены в хаотичном порядке. Выделим из колонны элементарный параллелепипед на расстоянииy от основания со сторонами dx, dy и dz (рис.2.)

Рисунок 1 – Колонна из фибробетона                                            Рисунок 2 – Действие сжимающих напряжений на волокно со стороны матрицы при ее затвердевании

При действии нагрузки F в направлении волокна на поверхности раздела возникают силы трения, которые обуславливают появление в волокне напряжения . Зная коэффициент трения и предел текучести матрицы можно рассчитать напряжение :

, (1)

где – предел текучести матрицы; – радиус волокна; t – толщина матричного слоя; – коэффициент трения матрицы.

Однако у бетона нет ярко выраженного предела текучести, тогда на основе трёхлинейной диаграммы сжатого бетона [2] (рис.3) в формуле (1) заменим  на сопротивление бетона к осевому сжатию R_b.n, имеем:

Тогда среднее значение напряжения сжатия  волокон в продольном направлении :

, (2)

Решив интеграл (2) получим:

, (3)

где  – длина волокна; – длина колонны.

Напряжение в колонне можно представить в виде:

, (4)

где – напряжение, возникающее в матрице (бетоне); – минимальное объемное содержание волокна при котором одновременно происходит разрушение матрицы (бетона) и волокна (полипропиленовая усиленная фибра);  – предельная деформация волокна.

Так как:

, (5)

где – предел прочности матрицы; – предел прочности волокна.

, (6)

где N – продольное усилие, возникающее в колонне от действия нагрузки; A – площадь поперечного сечения колонны.

Подставляя формулы (3), (5) и (6) в формулу (4) получим:

Тогда условие прочности колонны из фибробетона при осевом сжатии примет вид:

,(7)

где X – расчетное сопротивление всего композита (колонны), рассчитываемого по формуле (8).

,(8)

где – объемное содержание волокна в композите;  и модули упругости 1–го рода матрицы и волокна соответственно.

С помощью условия прочности (7) полученное на основе модели Аутуотера[1], можно приближенно решать три задачи строительной механики: проверка несущей способности, проверка заданного сечения и проектирование сечений композиционных материалов армированных дискретными волокнами.

Формула (7) не учитывает возникновение концентрации напряжений возникающих на концах волокон причиной, которой является ограниченная деформация матрицы и высокая жесткость волокон, а так как в действительности волокна расположены не строго параллельно продольной оси матрицы, то волокна претерпевают изгиб и сдвиговые деформации, что тоже не учтено в формуле (7).

Проблема расчета строительных несущих композиционных материалов изучается кафедрой “Строительные конструкции” ИрНИТУ. Которая совсем недавно получила оборудование для проведений испытаний.

Композиционные материалы – это очень сложная неоднородная и анизотропная система, требующая достаточного изучения для безопасного и экономичного проектирования строительных конструкций выполненных из них.

В наших технических вузах не созданы в необходимом объеме лаборатории, которые бы позволили исследовать композиты, недостаточно специалистов обладающих знаниями и опытом по данной тематике.

Плохо изучено поведение строительных композитов на изгиб, кручение, сдвиг, сложное сопротивление, а также на термическое, химическое и радиоактивное воздействие. В силу этого необходимо создавать базовые кафедры композиционных материалов, готовить специалистов, расширять сотрудничество с зарубежными учеными которые накопили большой багаж знаний в этой области.

Решив данные проблемы, строительная индустрия перейдет в новую эпоху, в которой возможно будет реализовывать любые задумки архитекторов и конструкторов, удовлетворять потребности общества в качественном, безопасном и дешевом жилье.

1. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов: Пер. с японс.– – М:. Мир, 1982.– 232 с., ил.
2. СП 52-101-2003 “Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры”.
3. СП 164.1325800.2014 “Усиление железобетонных конструкций композитными материалами”.

Все статьи автора «Илья Айратович»