Напряжения в композитной строительной арматуре, обусловленные различиями коэффициентов Пуассона

Цель работы – расчетная оценка напряжений в элементах композитной строительной арматуры, обусловленных различиями коэффициентов Пуассона армирующих волокон и полимерного связующего. Методика исследований основана на разработке микромеханической модели межфазного взаимодействия армирующего волокна и полимерной матрицы в элементарной ячейке, представляющей собой полый полимерный микроцилиндр, в котором в виде соединения с изменяющимся под нагрузкой деформационным натягом расположен волокнистый армирующий наполнитель. Произведена трансформация задачи Ляме к расчетной оценке влияния различий в значениях коэффициентов Пуассона армирующих волокон и полимерной матрицы, а также растягивающих номинальных напряжений и объемного содержания волокон в композитной арматуре на изменение локальных напряжений в армирующих волокнах и полимерной матрице. Получены аналитические зависимости, связывающие параметры локального напряженно-деформированного состояния стенок элементарного цилиндра в окрестностях волокнистого наполнителя с комплексом показателей физико-механических свойств материалов полимерной матрицы и волокнистого наполнителя (модули упругости и коэффициенты Пуассона), а также объемным содержанием наполнителя. В качестве примера произведен расчет этих параметров для широкого диапазона степеней наполнения стеклянным и базальтовым волокном ряда полимерных матриц (эпоксидная и полиэфирная). Показано, что в диапазоне объемного содержания наполнителя 0,5–0,7 контактные давления на границе раздела армирующих волокон с полимерной матрицей составляют от 2 до 6 % от номинальных напряжений растяжения в полимерной матрице в зависимости от сочетания коэффициентов Пуассона волокон и матрицы. При этом окружные растягивающие напряжения в полимерной матрице на границе раздела с волокном составляют от 11,6 до 19,2 % от номинальных осевых напряжений растяжения в полимерной матрице для стеклопластиковой и от 10,6 до 17,1 % – для базальтопластиковой арматуры. Результаты исследований могут быть использованы в научно-исследовательской и учебной деятельности.

1. Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars: ACI 440.1R–06. Detroit: American Concrete Institute (ACI), 2006. 44 р.

2. Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers: CAN/CSA-S806–02 (R2007). Canadian Standards Association, 2012. 206 p.

3. Recommendation for Design and Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforcing Materials / Japan Society of Civil Engineers (JSCE). Tokyo: JSCE. 1997. 199 р. (Concrete Engineering, Series 23).

4. Jarek, B. Zastosowanie Prętόw Zbrojeniowych z Włόkna Szklanego (GFRP) w Budownictwie / B. Jarek, A. Kubik // Przegląd budowlany. 2015. Nо 012. Р. 21–26.

5. Development of Ductile Composite Reinforcement Bars for Concrete Structures / Y. Cui, M. S. M. Cheung, B. Noruziaan [et al.] // Materials and Structures. 2008. Vol. 41, No 9. P. 1509–1518. https://doi.org/10.1617/s11527-007-9344-8.

6. Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars: CNR-DT 203/2006. Rome: Italian National Research Council (CNR), 2006. 35 р.

7. Корягин, С. И. Несущая способность композиционных материалов / С. И. Корягин. Калининград: Калининград. ун-т, 1996. 301 с.

8. Tensile fracture specificity of unidirectional metal- polymer glass-fiber composites with cord wire / M. Yu. Ashchepkau, S. V. Shil`ko, T. V. Drobysh, H. Choe // Механика машин, механизмов и материалов. 2020. No 3 (52). Р. 55–61. https://doi.org/10.46864/1995-0470-2020-3-52-55-62.

9. Barsukov, V. G. Structural and Mechanical Aspect of Composite Reinforcement Strength / V. G. Barsukov, A. R. Volik, S. A. Sazon // E3S Web Conf. 2020. Vol. 212. P. 02002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021202002.

10. Садин, Э. Я. Анкеровка в бетоне стеклопластиковой арматуры, производимой в Республике Беларусь / Э. Я Садин // Архитектура и строительство. 2016. № 3. C. 68–71.

11. Особенности испытаний и характер разрушения полимеркомпозитной арматуры / А. Р. Гидзатулин, В. Г. Хозин, А. Н. Куклин, А. М. Хуснутдинов // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 3. C. 40–50.

12. Castro, P. F. Tensile and Nondestructive Testing of FRP bars / P. F. Castro, N. J. Carino // J. Compos. Constr. 1998. Vol. 2, No 1. P. 17–27. https://doi.org/10.1061/(asce)1090-0268(1998)2:1(17).

13. Василевич, Ю. В. Влияние химической усадки связующего в процессе отверждения на образование остаточных напряжений в цилиндрических оболочках из композита / Ю. В. Василевич, К. А. Горелый, С. В. Сахоненко, С. Н. Иванов // Теоретическая и прикладная механика: междунар. науч.-техн. сб. Минск: БНТУ. 2016. Вып. 31. С. 67–72.

14. Скудра, А. М. Прочность армированных пластиков / А. М. Скудра, Ф. Я. Булавс. М.: Химия, 1982. 213 с.

15. Модельные представления о механике межфазного микроконтактного взаимодействия в чугунах с вермикулярным графитом / В. Г. Барсуков, А. Е. Шишкин, Б. Крупич, В. В. Барсуков // Актуальные вопросы машиноведения: сб. науч. тр. Минск: Промпечать, 2013. Вып. 2. С. 382–387.

16. Dems, K. Modeling of Fiber Reinforced Composite Materials Subjected to Thermal Load / K. Dems, E. Radaszewska, J. Turant // Journal of Thermal Stresses. 2012. Vol. 35, No 7. Р. 579–595. https://doi.org/10.1080/01495739.2012.674786.

17. Барсуков, В. Г. Параметры элементарных ячеек для аналитического определения термоупругих усадочных напряжений в наполненных термопластах / В. Г Барсуков, Е. В. Грахольская // Веснік Гродзенскага дзяржаўнага ўніверсітэта імя Янкі Купалы. Сер. 6. Тэхніка. 2020. Т. 10, № 2. С. 32–40.

18. Справочник по сопротивлению материалов / Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев; отв. ред. Г. С. Писаренко. 2-е изд., перераб. и доп. Киев: Наук. думка, 1988. 736 с.

19. Прикладная механика / А. Т. Скойбеда, А. А. Миклашевич, Е. Н. Левковский [и др.] / под общ. ред. А. Т. Скойбеды. Минск: Высш. шк., 1997. 522 c.

20. Мэттьюз, Ф. Композитные материалы: механика и технология / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс; пер. с англ. С. Л. Баженов. М.: Техносфера, 2004. 406 с.

21. Композиционные материалы: справ. / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин [и др.] / под ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

22. Композиционные материалы: справ. / Л. Р. Вишняков, Т. В. Грудина, В. Х. Кадыров [и др.]; под ред. Д. М. Карпиноса. Киев: Наук. думка, 1985. 592 с.

23. Миненков, Б. В. Прочность деталей из пластмасс / Б. В. Миненков, И. В. Стасенко. М.: Машиностроение, 1977. 264 с.

24. FRP reinforcement in RC structures: Technical report. fib CEP=FIP. 2007. Bulletin 40. 147 p. URL: https://www.alientechnologies.ru/docs/40%20-%20FRP%20reinforcement%20in%20RC%20structures.pdf