Rezumat al lucrării de cercetare privind ingineria materialelor, autor al articolului științific - В.В. Garbaruk, E.P. Dudkin, VA Ivliev

Rezumat Utilizarea betonului armat cu fibre polimerice este una dintre cele mai promițătoare tendințe în dezvoltarea liniei de tramvai. A fost folosită pentru prima dată ca fundație de cale de tramvai în 2010-2011. Analiza unor astfel de structuri a arătat o serie de avantaje ale acestora: reducerea timpului de construcție, beneficii economice în ceea ce privește reducerea costurilor și a forței de muncă și simplificarea tehnologiei de construcție. Modelarea matematică a caracteristicilor de rezistență a structurii și testarea pe teren, specificând parametrii modelului, sunt necesare pentru utilizarea ulterioară a betonului armat cu fibre ca fundație a căii de tramvai.

fibre

Subiecte similare ale lucrării științifice în Ingineria materialelor, autor al unui articol științific - В.В. Garbaruk, E.P. Dudkin, VA Ivliev

Lucrare de cercetare academică pe tema „Aplicarea betonului armat cu fibre în fundația căii de tramvai”

Disponibil online la www.sciencedirect.com

Procesía Engineering 189 (2017) 836 - 840

Transport Geotehnică și Geoecologie, TGG 2017, 17-19 mai 2017, Saint Petersburg,

Aplicarea betonului armat cu fibre în fundația căii de tramvai

V.V. Garbaruka, E.P. Dudkina *, VA Ivlieva

a Universitatea de Transport de Stat Împăratul Alexandru I, bulevardul Moscova 9, Sankt Petersburg, 190031, Rusia

Utilizarea betonului armat cu fibre polimerice este una dintre cele mai promițătoare tendințe în dezvoltarea liniei de tramvai. A fost folosită pentru prima dată cu succes ca fundație de cale de tramvai în 2010-2011. Analiza unor astfel de structuri a arătat o serie de avantaje ale acestora: reducerea timpului de construcție, beneficii economice în ceea ce privește reducerea costurilor și a forței de muncă și simplificarea tehnologiei de construcție. Modelarea matematică a caracteristicilor de rezistență a structurii și testarea pe teren, specificând parametrii modelului, sunt necesare pentru utilizarea ulterioară a betonului armat cu fibre ca fundație a căii de tramvai.

Evaluare inter pares sub responsabilitatea comitetului științific al conferinței internaționale privind geotehnica și geoecologia transportului Cuvinte cheie: beton armat cu fibre; proiectarea căii de tramvai; calculul puterii;

Aplicarea betonului armat cu fibre polimerice este una dintre tendințele promițătoare în îmbunătățirea structurii căii de tramvai. Inițierea și distribuirea fisurilor în plăcile de beton armat este controlată de bare longitudinale, cu toate acestea, micro-fisurile generate pot favoriza coroziunea și spargerea materialului. Aplicarea fibrelor macro sintetice în locul oțelului de armare oferă multe avantaje: betonul armat cu fibre are aceeași structură monolitică ca și betonul nearmat; plăcile de beton sunt armate pe tot volumul lor, în timp ce barele de oțel traversează doar o parte din spațiul intern; prevenirea eficientă a creșterii fisurilor; fixare mai ușoară a șinei; instalare simplificată a inductorului de fisuri; scurgeri de curent mai mici între sistemele de curent alternativ și continuu rezistență mai bună a structurii la

* Autorul corespunzator. Tel.: Tel.: + 7-812-457-8695; fax: + 7-812-457-8832.

Adresa de e-mail: [email protected]

Evaluare inter pares sub responsabilitatea comitetului științific al conferinței internaționale privind geotehnica și geoecologia transportului doi: 10.1016/j.proeng.2017.05.131

efecte care induc schimbări de decontare și tensiuni de îndoire; rezistență la electrocorozie inițiată de efectele curentului la sol [1, 2].

1. Experiență de aplicare

În 2010, la Berlin, compania Rail.One, împreună cu Rosenberg Engineering Company, au dezvoltat o întâlnire specială din beton armat cu fibre, care respectă standardele și cerințele europene și germane ale sistemului feroviar RHEDA CITY. În octombrie 2010, această structură a fost aplicată pentru prima dată pe un pod din rețeaua de tramvaie Berliner Verkehrsbetriebe (BVG, Berlin Transport Company). [3].

Zona de testare a fost împărțită în 2 piste, una cu fundație tradițională din beton și alta folosind noua fibră sintetică. Cea de-a doua cale a fost așezată folosind plăcuțe de bază elastice care au separat pista de baza podului. Acest lucru a mărit devierea verticală a fundației căii de tramvai. După câteva săptămâni de funcționare a fost efectuată o inspecție detaliată a secțiunii și au fost identificate fisuri pe secțiunea cu fundație tradițională din beton. Nu s-a găsit fisurare în fibrele de beton. [4]. Chiar și după mai mult de doi ani de funcționare în condiții meteorologice extreme (până la -20 ° C pe o perioadă lungă de timp) nu s-au găsit fisuri vizibile în beton fibros [3].

De asemenea, un sistem similar a fost folosit de Verkehrsbetriebe Karlsruhe (VBK, Karlsruhe Transport Company) la reconstruirea vechilor și construirii de noi linii de tramvai. Utilizarea structurii din beton armat cu fibre a arătat o serie de avantaje în comparație cu structura tradițională. De exemplu, mai devreme 16,5 tone de bare de oțel au fost utilizate pentru construirea unui kilometru de structură a orașului Rheda. La utilizarea betonului armat cu fibre sunt necesare 2,8 tone de fibre sintetice. Și întrucât fibra este adăugată la amestec deja la fabrica de beton, nu există cerințe logistice și spațiale la șantier. De asemenea, datorită reducerii cantității de componente din oțel greu, costul de transport al întregii structuri este semnificativ mai mic. În plus, lipsa necesității de așezare a unor rețele de armare reduce timpul și forța de muncă necesară pentru construcție. De asemenea, nu este necesar să se izoleze armătura longitudinală de componentele sistemelor de alarmă, ceea ce reduce și mai mult costurile de construcție [5].

În Blackpool (Anglia), în cursul modernizării unei linii de tramvai cu utilizarea sistemelor de semnalizare care acordau tramvaielor prioritate față de transportul auto, structura cu cadru de armare a fost înlocuită de structura cu fibră de oțel din cauza nevoii de foraj suplimentar găuri pentru instalarea noii piste [6, 7].

În 2010 și 2011, în cursul extinderii și reconstrucției secțiunilor A și C ale liniei de tramvai Nr. I. în Szeged și construcția liniei de tramvai Nr. II la toate secțiunile de beton armat cu fibre a fost aplicat cu fibră Barchip 48 fabricată în Japonia. Proiectul a avut un mare succes. O structură similară care utilizează 48 de fibre Barchip a fost utilizată în Tallinn (Estonia), St. Petersburg (Rusia) și Budapesta (Ungaria) [8].

2. Rezultatele cercetării

În cercetările efectuate de KTH Royal Institute of Technology au fost comparate 3 modele de fundații fără balast: modelul 1 - placă de beton cu armătură clasică; model 2 - placă de beton armată cu fibră de oțel; și modelul 3 - combinație de cadre de armare și fibră de oțel. [9].

Aceste studii au arătat că modelele 2 și 3 sunt mult mai bune decât modelul 1 în ceea ce privește timpul de construcție, masa și costul, dar sunt inferioare în ceea ce privește caracteristicile de rezistență.

Se remarcă faptul că ar trebui să se țină seama de „factorul uman”, deoarece în procesul de așezare a grilelor de armare există o mulțime de lucrări manuale. În procesul de legare a armăturii, corpurile lucrătorilor sunt în poziție incomodă. În special, în timpul amenajării fundației la nivelul drumului, este imposibil să se evite poziția incomodă a corpului. Acest lucru are ca rezultat oboseala și deteriorarea corpului (umeri, coloană vertebrală, spate etc.). Toți acești factori negativi sunt excluși în cazul aplicării monolitice din fibră-beton.

Pentru a determina eficiența betonului din fibră în structurile de bază ale șinelor, a fost testată stabilitatea la forfecare. Folosind instalația de testare (Fig. 1), forța orizontală prin șine a fost livrată la fundația din beton, forțând-o să reziste la sarcinile aplicate. Creșterea treptată pas cu pas a presiunii a fost însoțită de crăpături. Fiecare fisură a fost înregistrată și lățimea sa a fost măsurată.

Figura 1 Echipament de testare orizontală.

Testarea a fost efectuată pe probe de beton cu grosimea de 60 și 100 mm. Ca rezultat, a fost reprezentat un grafic care reflectă dependența deformării de sarcina aplicată (Fig. 2). Testul a arătat că betonul armat cu fibre micro sintetice poate rezista la o sarcină de 8,8 și respectiv 10,2 tone, în funcție de grosimea elementului.

Ambele probe au prezentat performanțe reziduale semnificative după apariția primelor fisuri, ceea ce dovedește că introducerea fibrelor Barchip de armare îmbunătățește semnificativ rezistența betonului la sarcini orizontale.

Figura 2. Dependența deformării de sarcină.

O serie de studii au arătat că înlocuirea armăturii din oțel cu fibră de polimer contribuie la reducerea emisiilor totale de carbon cu 50-70% [10].

PGUPS a efectuat teste dinamice ale performanței fundației din fibră-beton sub sarcini ciclice. Modelul fizic al liniei de tramvai prezentat în Figura 3 a fost testat. Modelul a fost încărcat cu o forță dinamică verticală de 5

Frecvența Hz. Forța maximă a fost sarcina unei roți de tramvai pe șină egală cu 42,5 kN, forța minimă a fost de 5 kN. Numărul de cicluri de expunere a fost determinat prin calcul în conformitate cu datele întreprinderii unitare de stat „Gorelectrotrans” și corespunde perioadei de funcționare a liniei de tramvai - nu mai puțin de 25 de ani (5 milioane de cicluri). Testarea dinamică efectuată a confirmat pe deplin operabilitatea structurii. Nu s-a înregistrat nici o distrugere vizuală în baza fibrelor de beton și în acoperirea cu asfalt. Tensiunea din betonul cu fibre a fost semnificativ mai mică decât solicitarea permisă, ceea ce dovedește aplicabilitatea acestei structuri cu o durată de viață de 25 de ani [11.12].

Figura 3. Modelul fizic al liniei de tramvai.

Pentru a determina rezistența fundației căii de tramvai din fibră de beton, este necesar mai întâi să se identifice proprietățile de rezistență ale betonului armat cu fibră. Proprietățile betonului armat cu fibre ca material compozit depind de proprietățile componentelor sale. Factorii principali includ tipul de beton, materialul din fibre și lungimea și diametrul barelor din polimer armat cu fibre. Studiile teoretice și experimentale ale proprietăților de solicitare a betonului armat cu fibre și experiența lor de aplicare au fost utilizate pentru a afla gama eficientă de structuri, precum și facilitățile și produsele realizate din acestea. Cu toate acestea, aplicarea betonului armat cu fibre ca fundație a căii de tramvai necesită teste suplimentare de laborator și de teren, cerințe detaliate de beton și materiale din fibră, precum și construirea unui model de rezistență pentru fundația căii de tramvai din beton armat cu fibre, luând în considerare parametrii de bază ai materialului și comportamentul structurii în material rulant. condiții și alți factori specifici [13, 14]. 3. Metode de calcul

Calculul rezistenței poate fi făcut pentru placa de rulment a căii de tramvai folosind una dintre cele trei metode:

• Ca un covor rigid

• Ca placă de fundație

• Ca structură a podului de cale de tramvai

Calculul rezistenței plăcii de fundație a căii de tramvai ca structură rigidă a covorului rutier necesită un model analitic adoptat în ceea ce privește armătura din fibră de beton. Apoi, fluxul de proiectare este determinat cu o durată de viață de proiectare de 50 de ani. În continuare, se calculează rezistența și fiabilitatea designului acoperirii căii. Trebuie remarcat faptul că tensiunile sunt determinate în acest calcul ținând cont de amplasarea barelor de armare, dar caracteristicile betonului armat cu fibre dispersează armătura și acest lucru ar trebui luat în considerare și în calcul. În plus, zona de contact este identificată prin calcularea îndoirii șinei și compararea cu îndoirea betonului urmată de determinarea tensiunilor maxime care vor apărea în baza betonului în cazul zonei minime de contact șină/beton. Avantajul acestei metode este faptul că calculul ia în considerare rigiditatea stratului de limită și natura ciclică a aplicării sarcinii. Cu toate acestea, are și unele limitări, deoarece ignoră parametrii de armare și se calculează numai sarcina concentrată.

Calculul rezistenței plăcii de bază a liniei de tramvai ca structură de punte implică un moment de încovoiere în baza de beton armat a rulmentului este mult peste cea permisă. Prin urmare, este necesar să se ia în considerare comportamentul de bază care trebuie să fie proporțional cu sarcina aplicată vertical pentru a asigura condiții realiste de comportament structural. Mai mult, trebuie avut în vedere faptul că efectul considerat al perechii de roți va implica, de asemenea, forțe de încovoiere și solicitări apărute în câmpul ortogonal față de axa longitudinală a căii. Pentru ca acest factor să fie luat în considerare, este necesar să se determine lățimea elementului care trebuie afectat de forțele de la o roată din fiecare pereche. Calitatea calculelor efectuate poate fi îmbunătățită prin calcularea rezistenței plăcii de bază a liniei de tramvai sub sarcina tramvaiului, ținând seama de comportamentul elastic al bazei, cu modulul de reacție de subgrade sau de deformare determinat. Această metodă are avantaje precum distribuția indicată a tensiunilor potențiale determinate de analiza cu elemente finite. Cu toate acestea, comportamentul de bază este ignorat atunci când este calculat ca o grindă și se reduce la calculul plăcii de fundare atunci când este calculat ca o placă.

Calculul rezistenței plăcii de bază a liniei de tramvai ca placă de fundație necesită determinarea parametrilor de bază și a componentelor de sarcină tramvai-la-placă. Structura proiectată este așezată pe o bază pregătită formată din beton, piatră zdrobită și nisip. Grosimea acestor straturi structurale poate varia în funcție de condițiile specifice care duc la modificări de rezistență în baza pe care este așezată placa de cale a tramvaiului. Apoi se calculează valorile modulelor de reacție ale subgradării. După aceea, este necesar să se definească geometria plăcii tramvaiului și să se ia în considerare cel mai rău caz de poziții de încărcare. Limita acestei metode este că ignoră natura ciclică a aplicării sarcinii. Avantajele includ elasticitatea uniformă considerată a bazelor și distribuția indicată a tensiunilor secțiunii transversale în placă. Calculul rezistenței plăcii de bază a tramvaiului ca placă de fundație oferă cele mai consistente rezultate, deoarece diferența dintre datele teoretice și experimentale este de 16%. Această metodă determină forțele apărute în fiecare element finit, ceea ce face posibilă analiza stării de solicitare generală a plăcii. Prin urmare, această metodă este recomandată pentru calcularea rezistenței plăcii de bază a tramvaiului.

Există o dependență liniară a tensiunilor de îndoire apărute de rezistența bazei subplăcii și sarcina axială în intervalele considerate ale sarcinilor axiale ale tramvaiului și ale valorilor modulului de reacție al subgradării. Acest lucru face posibilă dezvoltarea tabelelor rezumate unificate ale valorilor pentru forțele apărute în placa de bază a tramvaiului în funcție de modulul de reacție al subgradării și sarcina axială a tramvaiului pentru geometria dată a plăcii de bază și simplifică astfel procesul de calcul al rezistenței plăcii [ 15]. 4. Concluzie

Prin urmare, aplicarea pe scară largă a betonului armat cu fibre ca bază a căii de tramvai necesită modelarea matematică a proprietăților de rezistență a structurii și studii de teren pentru a specifica parametrii modelului. Datele obținute vor face posibilă elaborarea documentelor de reglementare relevante.

1. EP Dudkin, Paraskevopulo Yu.G., Sultanov NN Aplicarea betonului armat cu fibre în construcția de linii de tramvai // Transportul Federației Ruse (jurnal de știință, economie și practică). - 2012. - Nu. 3-4 (40-41). - P. 77-79.

2. EP Dudkin, Chernyaeva VA Domenii de aplicare eficientă a transportului feroviar urban și posibilitatea extinderii lor // Transportul Federației Ruse (jurnal de știință, economie și practică). - 2015. - Nu. 9. - P. 48-51.

4. Dieta bogată în fibre pentru liniile de tramvai. The Rail Engineer, octombrie 2011, p.32-33.

5. Clever Karlsruhe - linii de tramvai care utilizează beton din fibre sintetice. The Rail Engineer, decembrie 2011, p.12-13.

8. Începutul: tramvaiul din Szeged. Innoteka, septembrie 2014, pp. 18-19.

9. Vranjkovina Alija, Zioris Stavros. Evaluarea plăcii de cale a unui tramvai în beton armat convențional sau beton din fibră de oțel. Proiect de licență în structuri de beton, nivelul II Stockholm, Suedia 2015.

10. Pista slabă devine sintetică. International Railway Journal, septembrie 2011, p.51-54.

11. Dudkin EP, Paraskevopulo Yu. G., Sultanov N. N., Paraskevopulo G. Yu. Transportul feroviar urban: modele inovatoare pentru șinele de tramvai pe paturi separate // Transportul Federației Ruse (jurnal de știință, economie și practică). - 2012. - Nu. 3-4 (40-41). - P. 77-79