О влиянии гибкости стоек на эффективность композитного усиления

О влиянии гибкости стоек на эффективность композитного усиления

П.П. Польской, Д.Р .Маилян, С.В. Георгиев Ростовский государственный строительный университет

Аннотация: Приведены и проанализированы данные о результатах испытания железобетонных стоек с гибкостью ^=10 и А^=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 500мм (а) и углеламината шириной

50мм

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 10180 соответствуют проектному классу В30. Стойки изготавливались сечением 250х125(И)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 4 012 А500, что соответствует проценту продольного

армирования = 1,45%. Стальная поперечная арматура принята вязаной

06 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 03 В500, а размер ячеек - 50x40мм. Их цель предотвращение смятия торцов. Конструкция каркасов соответствует требованию ГОСТ 10922-2012 и представлена на рис. 3.

а)

1200

25 25 ^ Й i а!ма> >|у|.г-

012А4ОО

06 В500 [50 150 180 180 , 180 , [50 150 и СЕТКИ 8шп)

СЕТКИЗшт

/

б)

2400

1515 25 25

аа)=23)

25 25 15

УЛ.1/

06 В500

<0 120 1: 0 180 180 180 180 180 180 180 180 180 1! 0 120 12 )

СЕТКИ8Ш1

012А400

330

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 1,2мм, наклеенные на наружную поверхность, и круглые стержни 08мм, 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.

Рис 4. - Вариант схемы усилия поперечной композитной арматурой с шагом Б=190мм. 1 - стальной оголовок; 2 - торцевой анкер; 3 - рядовые хомуты усиления; 4 - цементно-песчаный раствор марки 200.

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 4см.

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) 190мм; (2) - тоже с шагом 140мм; (3) - означает, что в середине высоты стойки установлен хомут шириной 240мм, 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: «Ь» - с использованием ламинатов -(полос), шириной 50мм и толщиной 1,2мм; «Я» - круглый стержень диаметром 8мм.

Прописные буквы рядом с латинской буквой «Ь» 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 100мм. 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

Этапы испытания по величине гибкости Величина осевого эксцентриси тета Конструкция усиления Шифр опытных образцов Опытные значения

Разрушаю щая нагрузка к, кН Коэф. усиления кус

1 2 3 4 5 6

I Этап ¿и = 10 е0=0 эталон АК 1150 -

в=50; 8=190 АКУ-Х! 1190 1,02

в =50; 8=190, 4ь АКУ-Х^ц 1100 0,96

в =700 аку-х5 1625 1,482

в=50; 8=115 АКУ-Хб 1600 1,118

в =50; 8=190, 4я АКУ-ХДц 1379 1,258

е0=2 эталон БК 592,5 -

в =50; 8=190 БКУ-Х! 778,9 1,326

в =50; 8=145 бку-х2 794,7 1,307

в=50;8=145;2ьц БКУ-х2ьс 800 1,263

в=50; 8=190; 2ьр БКУ-Х^р 700 1,128

в=700 бку-х5 844 1,33

е0=4 эталон ВК 422,2 -

в =50; 8=190 ВКУ-Х! 450 1,066

в =50; 8=190; 2ьр ВКУ-Х^р 530 1,255

в=240;8=190 ВКУ-Х^р 600,8 1,14

II Этап ¿и = 20 е0=0 эталон АГ 803 -

в=50; 8=190 АГУ-Х! 873,2 1,11

в=240;8=190 агу-х2 900 1,239

в=1900 АГУ-Х5 1080 1,487

е0=2 эталон БГ 410 -

в =50; 8=190 БГУ-Х! 400 0,996

в =250; 8=190 БГУ-Х3 450 1,076

в =250;8=190;2ьр БГУ-Х2ьр 510 1,22

в =620;8=190;2ьр БГУ-Хзьр 714,5 1,34

в=1900 бгу-х5 597,5 1,518

е0=4 эталон ВГ 242,5 -

в =50; 8=190 ВГУ-Х2 290,0 1,196

в=250; 8=190;2ьр ВГУ-Х2 ьр 503,5 2,486

в=620; 8=190;2ьр ВГУ-Хз ьр 504,5 1,842

в=1900 ВГУ-Х5 270 1,301

Примечание: В столбце 6 коэффициент усиления (кус) 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.

Литература

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 угле- и 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. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4/2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307

2. Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Inzenernyj 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 ugle- i 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. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1675