О влиянии гибкости стоек на эффективность композитного усиления

Аннотация

композитный арматура прочность стойка Приведены и проанализированы данные о результатах испытания железобетонных стоек с гибкостью лh=10 и лh=20, усиленных внешней углепластиковой арматурой. Установлены границы влияния различных вариантов усиления на прочность и деформативность стоек и эффективность использования композитных материалов.

Ключевые слова: бетон, арматура, железобетон, композит, эксцентриситет, гибкость, нагрузка, прочность, деформативность, усиление.

Увеличение объемов каркасно-монолитного строительства зданий с безбалочными плитами при одновременном росте ремонтно-восстановительных работ, потребовали и разработки новых методов усиления конструкций. В соответствии с перспективной программой исследования [1,2], кафедра железобетонных и каменных конструкций РГСУ проводит большой объем научных исследований, связанных с усилением железобетонных конструкций различными видами композитных материалов, в том числе и на основе углепластика горячего и холодного отверждения. Общий вид указанных материалов представлен на рис. 1.

Рис 1 Общий вид углеткани шириной 500 мм (а) и углеламината шириной 50 мм (б)

Появлению нормативной базы в России и за рубежом [3,4,5] предшествовали многочисленные исследования, в том числе [6,7,8].

Учитывая, что нормативная база по расчету железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, появилась в России сравнительно недавно, проводимые кафедрой исследования по проверке надежности расчетного аппарата весьма актуальны. Настоящая статься посвящена исследованию усиленных коротких и условно длинных сжатых элементов. Программа указанных исследований представлена на рис. 2.

Рис 2 Программа испытаний для исследования влияния сечения и вида продольного и поперечного композитного армирования на несущую способность сжатых железобетонных элементов при различных значениях гибкости и эксцентриситета приложения нагрузки

Согласно программе исследований, разбитой на два этапа, были изготовлены и испытаны 31 опытный образец одинакового сечения и армирования. Варьировались только виды композитного усиления.

Опытные образцы-стойки были приняты из тяжелого бетона и согласно ГОСТ 10 180 соответствуют проектному классу В30. Стойки изготавливались сечением 250×125(h)мм и длинной 1200 и 2400 мм. При данных размерах, гибкость опытных образцов составляет =10 и 20 соответственно.

Рабочая стальная арматура для обоих этапов была принята одинаковой. Она состоит из 4 Ш12 А500, что соответствует проценту продольного армирования Стальная поперечная арматура принята вязаной Ш6 В500 и расположена с шагом 180 мм. Дополнительно к основной поперечной арматуре на торцах и коротких, и гибких стоек установлено по 6 конструктивных сеток с шагом 50 мм. Арматура сеток принята Ш3 В500, а размер ячеек — 50×40мм. Их цель предотвращение смятия торцов. Конструкция каркасов соответствует требованию ГОСТ 10 922–2012 и представлена на рис. 3.

Рис 3 Схема продольного и поперечного армирования коротких (а) и гибких (б) стоек

В качестве элементов усиления применялись 3 типа композитных материалов на основе углепластика предоставленных Московским отделением фирмы «BASF — строительные системы». В роли внешней продольной арматуры использовались углеламинаты (полосы) шириной 50 и толщиной 1,2 мм, наклеенные на наружную поверхность, и круглые стержни Ш8мм, вклеенные в пропиленную в стойке штрабу. Прочностные характеристики композитных материалов подробно приведены в статье [9]. Наружные хомуты усиления выполнялись из 3-х слоев углеткани различной ширины. Один из вариантов усиления стоек хомутами приведен на рис. 4.

На усиленных образцах при различных значениях осевого эксцентриситета изучалось влияние на прочность и деформативность опытных стоек, следующих факторов: толщины, ширины и площади сечения поперечных хомутов, а также шага их расположения; эффективность полной обоймы (аналогичной по толщине с хомутами); эффективность не полной (по высоте стойки) обоймы; влияние гибкости опытных образцов на эффективность вышеуказанных видов усиления; влияние продольного композитного армирования в сочетании с вышеуказанными видами поперечного композитного армирования на несущую способность сжатых элементов.

Для получения ответов на поставленные вопросы, опытные образцы с учетом их гибкости были разделены на два этапа: I (=10) и II (=20).

Для учета влияния эксцентриситета на эффективность композитного усиления, каждый этап разбит на три серии А, Б и В. В каждой серии образцы имели 3−6 вариантов усиления. Методика усиления подробно представлена в статье [10]. В соответствии с программой исследования, на каждом этапе было испытано по три эталонных образца и по 13 и 12 стоек, имеющих различные варианты усиления, соответственно, на первом и втором этапах исследования.

Испытания опытных образцов проводилась на специально оборудованных стендах (рисунок 5). Приложение нагрузки на стойки осуществлялось через специально законструированные стальные оголовки с прорезями, которые автоматически создавали осевой эксцентриситет е0=0; 2 и 4 см.

Все образцы испытывались ступенчато возрастающей нагрузкой этапами примерно по 10% от теоретической разрушающей, с выдержкой на каждом этапе 10 минут. В процессе испытания инструментально измерялись прогибы колонн и местные деформации, как на бетоне, так и на композите.

Шифр опытных образцов уже был опубликован авторами в статье [11]. Однако, в целях понимания сути вопросов, он приводится повторно с учетом дополнительно испытанных образцов.

Рис 5 Конструкция стендов для испытания коротких и длинных стоек с различными вариантами усиления и расположением механических приборов и тензодатчиков сопротивления

Первая буква русского алфавита — отражает величину осевого эксцентриситета (е0) «А» — это стойки, которые испытываются как центрально-сжатые т. е. с приложением нагрузки по геометрической оси е0=0. «Б» — стойки, испытанные с осевым эксцентриситетом е0=2см; «В» — тоже при е0=4см.

Вторые буквы русского алфавита обозначают вид эталонной стойки — короткой «К» или гибкой «Г».

Третья буква этого алфавита «У» означает, что образец имеет усиление.

Цифры рядом с буквой «Х» обозначают вариант поперечного армирования, а именно: (1) — хомуты шириной 50 мм с расстоянием между осями хомутов (шагом) 190 мм; (2) — тоже с шагом 140 мм; (3) — означает, что в середине высоты стойки установлен хомут шириной 240 мм, а через стандартный зазор 140мм — вверх и вниз установлены хомуты по типу (1); (4) — в центре стойки установлен хомут шириной равной одной трети длины стойки. Далее до оголовков идут хомуты по типу (1); (5) — хомут в виде полного трёхслойного обертывания по всей высоте опытного образца или обойма. (6) — хомут по типу (1) с шагом в осях 115 мм;

Пятая буква — латинского алфавита означает наличие продольного углепластикового усиления стоек: «L» — с использованием ламинатов — (полос), шириной 50 мм и толщиной 1,2 мм; «R» — круглый стержень диаметром 8 мм.

Прописные буквы рядом с латинской буквой «L» обозначают место расположения продольной композитной арматуры: (ц) — расположение с двух сторон — центральное сжатие; (с) — расположение полос на более сжатой грани бетона; (р) — тоже, на растянутой грани бетона.

Отметим при этом, что все опытные стойки, независимо от вида и вариантов усиления, рядом с металлическим оголовником имеют хомут, выполненный из трех слоев углеткани шириной 100 мм. Он выполняет функцию торцевого анкера для продольной композитной арматуры. Использование анкера обосновано в работе [12].

Продольное и поперечное армирование всех опытных образцов принято одинаковым, поэтому в шифре они не отражены.

Результаты выполненных экспериментов приведены в табл. 1.

Таблица № 1

Примечание: В столбце 6 коэффициент усиления (kус) указан с учетом приведения прочности бетона усиленных стоек к эталонным.

Прямое сопоставление результатов эксперимента для эталонных и усиленных образцов согласно табл. 1 позволяет сделать следующие выводы:

• 1. Эффективность усиления сжатых элементов с использованием композитных материалов зависит не только от вариантов усиления, но и от величины эксцентриситета
• 2. Поперечные хомуты из углеткани, расположенные с шагом, аналогичным шагу хомутов для стальной рабочей арматуры, практически, не оказывает влияние на увеличение прочности стоек независимо от величины эксцентриситета.
• 3. С уменьшением шага хомутов практически в два раза, прочность центрально сжатых элементов увеличивается на 12%.
• 4. Наибольший эффект показывают образцы, усиленные обоймой по всей длине стоек. Эта закономерность сохраняется при наличии малых эксцентриситетов, не выходящих за пределы ядрового сечения. С увеличением эксцентриситета (е0=4см) коэффициент усиления обоймой снижается с 50 до 30%.
• 5. Локальное усиление стоек обоймой с шириной 1/3 и более от длины стойки не приводит к увеличению их несущей способности по сравнению с эталоном, так как при указанном усилении, образцы разрушаются по бетону за пределами усиленного участка.
• 6. Продольное внешнее армирование центрально сжатых элементов ламинатами в дополнение к усилению хомутами не дает эффекта т.к. предельная сжимаемость углепластика горячего отвержения ниже, чем сжимаемость тяжелого бетона.
• 7. Вклеенные в сечение стоек углепластиковые стержни наоборот дают заметное приращение нагрузки, т.к. согласно опыту, композитные стержни работают совместно с бетоном вплоть до разрушения образца.
• 8. Продольное внешнее усиление ламинатами стоек с большим эксцентриситетом (е0=4см), наоборот резко увеличивают их несущую способность более чем в 2 раза.
• 9. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости совершенствования имеющейся расчетной базы при усилении сжатых элементов.

• 1 Польской П. П., Маилян Д. Р. Композитные материалы — как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 2) URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307
• 2. Польской П. П., Георгиев С. В. Вопросы исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных различными видами композитных материалов // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134
• 3. В. А. Клевцов. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами // НИИЖБ, 2006. 48с.
• 4. Eurocode 2: Design of concrete structures — Part 1−1 // General rules and rules for buildings, 2004, p.229.
• 5. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures // ACI 440.2R-08. American Concrete Institute, 2008, p. 76.
• 6. Костенко А. Н. Прочность и деформативность центрально и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных углеи стекловолокном // дис. … канд. техн. наук: 05.23.01. Москва, 2010. 244 с.
• 7. Хаютин Ю. Г., Чернявский В. Л., Аксельрод Е. З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций // Бетон и железобетон. 2003. № 1. С. 25−29.
• 8. Чернявский В. А., Аксельрод Е. З. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами // Жилищное строительство, 2003, № 3. C.15−16.
• 9. Польской П. П., Георгиев С. В. Характеристики материалов, используемых при исследовании коротких и гибких стоек, усиленных углепластиком // Научное обозрение. 2014. № 10, ч.2. С. 411−414.
• 10. Маилян Д. Р., Польской П. П., Георгиев С. В. Методики усиления углепластиком и испытания коротких и гибких стоек // Научное обозрение, 2014, № 10, ч.2. С.415−418.
• 11. Маилян Д. Р., Польской П. П., Георгиев С. В. Конструкция каркасов и схемы испытания опытных стоек, усиленных углепластиком // Научное обозрение. 2014, № 10, ч.3. С.667−671.
• 12. Польской П. П., Маилян Д. Р. Влияние стального и композитного армирования на ширину раскрытия нормальных трещин // Инженерный вестник Дона, 2013, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1675

References.

• 1. Pol’skoj P.P., Mailjan D.R. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4/2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307
• 2. Pol’skoj P.P., Georgiev S.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 4

URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134.

• 3. V.A. Klevcov. Rukovodstvo po usileniju zhelezobetonnyh konstrukcij kompozitnymi materialami [Guide to strengthening reinforced concrete structures by composite materials]. NIIZhB, 2006, p.48
• 4. Eurocode 2: Design of concrete structures — Part 1−1. General rules and rules for buildings, 2004, p.229.
• 5. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. ACI 440.2R-08. American Concrete Institute, 2008, p. 76.
• 6. Kostenko A.N. Prochnost' i deformativnost' central’no i vnecentrenno szhatyh kirpichnyh i zhelezobetonnyh kolonn, usilennyh uglei steklovoloknom. [The strength and deformability of the central and eccentrically compressed brick and reinforced concrete columns strengthened with carbon and fiberglass.] dis. … kand. tehn. nauk: 05.23.01. Moskva, 2010. p.244.
• 7. Hajutin Ju.G., Chernjavskij V.L., Aksel’rod E.Z. Beton i zhelezobeton. 2003. № 1. pp. 25−29.
• 8. Chernjavskij V.A., Aksel’rod E.Z. Zhilishhnoe stroitel’stvo. 2003 № 3. pp.15−16.
• 9. Pol’skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie. 2014. № 10/ 2. pp. 411−414.
• 10. Mailjan D.R., Pol’skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie, 2014, № 10/2, рр.415−418.
• 11. Mailjan D. R., Pol’skoj P. P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie. 2014, № 10/3, pp.667−671.
• 12. Pol’skoj P.P., Mailjan D.R. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1675