Расчет складчатых панелей из текстильно-армированного бетона по методу предельных усилий

Цель исследования. В предлагаемой публикации в качестве цели исследования выбрана оценка эффективности применения неметаллических сеток из высокопрочных волокон в армировании складчатых элементов. Для этого исследуются методы расчета складчатых конструкций из бетонных композитов и проводится сравнительный расчет конструкции с различными параметрами армирования. 

Методы. В статье проанализирован алгоритм расчета армоцементных конструкций по методу предельных усилий с переходом от исходного складчатого сечения к приведенному. По исследуемому методу проведен расчет тонкой складчатой панели, армированной сетками из различных материалов, с постоянным коэффициентом сетчатого армирования. В качестве армирования были рассмотрены сварная стальная сетка, тканая сетка из высокопрочных стеклянных волокон и тканая сетка из углеродных волокон. Попутно была решена обратная задача, в рамках которой подбирался коэффициент армирования, необходимый для обеспечения одинаковой несущей способности сечения при применении разных армирующих материалов.

Результаты. Расчет показал наибольшую несущую способность сечения, армированного сеткой из углеродных волокон – 14,5 кНм. При армировании сеткой из высокопрочных стеклянных волокон несущая способность сечения составила 6,4 кНм. Наименьшие значения были получены при армировании складчатой панели сварной стальной сеткой: несущая способность сечения составила 1,72 кНм. Коэффициенты сетчатого армирования для стальной сетки (С), стеклянной сетки (ЩС) и углеродной сетки (У) распределились в соотношении С:ЩС:У=1:0,26:0,12.

Заключение. Армирование бетонных композитов неметаллическими сетками имеет значительный потенциал для проектирования легких пространственных конструкций покрытий зданий и сооружений. Применение высокопрочных армирующих волокон позволяет достигнуть прочности панелей, сравнимой с прочностью традиционных армоцементных изделий. Необходимо рассмотреть прочие прочностные расчеты складчатых панелей с армированием неметаллическими сетками, а также экспериментально подтвердить результаты аналитических расчетов.

1. Zdanowicz K., Beckmann B., Marx S. Distributed strain measurements in thin expansive concrete slabs with biaxial textile reinforcement // Civ. Eng. Des. 2022. № 4. Р. 154–161. https://doi.org/10.1002/cend.202200002

2. Wu C., Pan Y., Yan L. Mechanical Properties and Durability of Textile Reinforced Concrete (TRC) — A Review // Polymers. 2023. № 18. Р. 3826. https://doi.org/10.3390/polym15183826.

3. Siva Vignan G., Gourishetty R., Challa D.K. Study on mechanical properties of textile reinforced concrete // I-manager’s Journal on Structural Engineering. 2020. № 2. Р. 25. https://doi.org/10.26634/jste.9.2.17256

4. Kulas C. Actual applications and potential of textile-reinforced concrete // International Congress Series. 2015. Т. 1247, № 7. Р. 119-126.

5. Textilbeton – Ausgeführte Projekte im Überblick / D. Ehlig, F. Schladitz, M. Frenzel, et al. // Beton- und Stahlbetonbau. 2012. № 11. Р. 777–785. https://doi.org/10.1002/best.201200034

6. Friese D., Scheurer M., Hahn L. Textile reinforcement structures for concrete construction applications – a review // J. Compos. Mater. 2022. № 26. Р. 4041–4064. https://doi.org/10.1177/00219983221127181

7. Textile reinforced concrete for sustainable structures: Future perspectives and application to a prototype pavilion / P. Valeri, P. Guaita, R. Baur, et al. // Struct. Concr. 2020. № 6. Р. 2251–2267. https://doi.org/10.1002/suco.201900511

8. Experimental investigation and modelling of flexural properties of carbon textile reinforced concrete / M. Halvaei, M. Jamshidi, M. Latifi, et al. // Constr. Build. Mater. 2020. № 262. Р. 120877. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120877

9. Mansur de Castro Silva R., de Andrade Silva F. Carbon textile reinforced concrete: materials and structural analysis // Mater. Struct. 2020. № 1. Р. 17. https://doi.org/10.1617/s11527020-1448-4

10. Goldfeld Y. Structural modelling of textile-reinforced concrete elements under uniaxial tensile loading // Compos. Struct. 2020. № 235. Р. 111805. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111805

11. Valeri P., Fernàndez Ruiz M. , Muttoni A. Tensile response of textile reinforced concrete // Constr. Build. Mater. 2020. № 258. Р. 119517. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119517

12. Rossi E., Randl N., Harsányi P. Overlapped joints in Textile Reinforced Concrete with UHPC matrix: An experimental investigation // Mater. Struct. 2021. № 4ю Р. 152. https://doi.org/10.1617/s11527-021-01739-1

13. Forman P., Mark P. Interaktionsbemessung für schlanke Querschnitte aus UHPC / // Beton- und Stahlbetonbau, 2021. № 8. Р. 607–619. https://doi.org/10.1002/best.202100026

14. Zdanowicz K., Marx S. Flexural behaviour of thin textile reinforced concrete slabs enhanced by chemical prestressing // Eng. Struct. 2022. № 256. Р. 113946. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.113946

15. Scheurer M. M., Gries T. Comparative evaluation of textiles for use in textile reinforced concrete // Mater. Today Proc. 2023. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.03.477

16. Jayasinghe A., Orr J., Hawkins W. Comparing different strategies of minimising embodied carbon in concrete floors // J. Clean. Prod. 2022. № 345. Р. 131177. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131177

17. A design methodology to reduce the embodied carbon of concrete buildings using thin-shell floors / W. Hawkins, J. Orr, T. Ibell, et al. // Eng. Struct. 2020. № 207. Р. 110195. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110195

18. Mohammadsalehi A., Mostofinejad D. Behavior of high-performance concrete canvas Miura-origami structures under flexural loading // Structures. 2023. № 54. Р. 928–945. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2023.05.072

19. Du W., Liu Q., Zhou Z. Experimental investigation of innovative composite folded thin cylindrical concrete shell structures // Thin-Walled Struct. 2019. № 137. Р. 224–230. https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.01.014

20. Valeri P., Fernández Ruiz M., Muttoni A. New perspectives for design of lightweight structures by using textile reinforced concrete // Fib Symposium. Krakow, Poland: Structural Concrete Laboratory of EPFL. P. 8.

21. Kromoser B. , Preinstorfer P., Kollegger J. Building lightweight structures with carbon‐fiber‐reinforced polymer‐reinforced ultra‐high‐performance concrete: Research approach, construction materials, and conceptual design of three building components // Struct. Concr. 2019. № 2. Р. 730–744. https://doi.org/10.1002/suco.201700225

22. De Coster A., De Laet L., Tysmans T. Exploring the three-dimensional space with modular concrete shells: Form-finding, design and structural analysis // Thin-Walled Struct. 2024. № 195. Р. 111336. https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.111336

23. Vakaliuk I., Scheerer S., Curbach M. Numerical Analysis of Textile Reinforced Concrete Shells: Force Interaction and Failure Types // CivilEng. 2024. № 1. Р. 224–246. https://doi.org/10.3390/civileng5010012

24. Heimbs S., Cichosz J., Klaus M. Sandwich structures with textile-reinforced composite foldcores under impact loads // Compos. Struct. 2010. № 6. Р. 1485–1497. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2009.11.001

25. Chudoba R., van der Woerd J., Schmerl M. ORICRETE: Modeling support for design and manufacturing of folded concrete structures // Adv. Eng. Softw. 2014. № 72. Р. 119–127. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2013.05.004

26. Spartali H., Woerd J.D., Hegger J. Stress redistribution capacity of textile-reinforced concrete shells folded utilizing parameterized waterbomb patterns // Proceedings of IASS Annual Symposia. International Association for Shell and Spatial Structures (IASS), 2022. P. 1–11.

27. van der Woerd J.D., Chudoba R., Bongardt C. Oridome: Construction of a dome by folding // IASS-SLTE 2014 Symposium «Shells, Membranes and Spatial Structures: Footprints». Brasilia: International Association for Shell and Spatial Structures; 2014. Р. 1–8.

28. Соколов Б.С. Проектирование армоцементных конструкций в Пособии к СП 96.13330.2016 // Бетон и железобетон. 2021. № 1. С. 3–7.

29. Xu S., Krüger M. Reinhardt, H. Bond Characteristics of Carbon, Alkali Resistant Glass, and Aramid Textiles in Mortar // J. Mater. Civ. Eng. 2004. № 4. Р. 356–364. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2004)16:4(356)

30. Quadflieg T., Stolyarov O. Comparison of pull-out behavior of glass, basalt, and carbon rovings embedded in fine-grain concrete and geopolymer // Mater. Test. 2022. № 5. Р. 746–753. https://doi.org/10.1515/mt-2021-2117

31. Homoro O., Michel M., Baranger T.N. Pull-out response of glass yarn from ettringite matrix: Effect of pre-impregnation and embedded length // Compos. Sci. Technol. 2019. № 170. Р. 174–182. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2018.11.045

32. Соколов Б.С., Зенин С.А., Титаев В.А. Пособие по проектированию армоцементных конструкций. М.: Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации, 2020. 103 с.