Особенности усиления металлических конструкций композитными материалами

3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. -599 с.

4. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства веществ. Справочник. -М.: ГосЭнергоИздат, 1960. - 369 с.

5. Дейч М.Е., Филиппов Г А. Газодинамика двухфазных сред. - М.: Энергия, 1968. - 423 с.

ОСОБЕННОСТИ УСИЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

1 2 © Леонова А.Н. , Чернова А.А.

Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

Данная статья посвящена вопросам усиления металлических конструкций композитными материалами. Рассмотрены особенности усиления, а также приведены рекомендации по применению композитных материалов для усиления металлических конструкций.

Ключевые слова усиление; металлические конструкции; композитные материалы.

Применение металлоконструкций при строительстве зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения постоянно растет. Сегодня металлические конструкции используются повсеместно: они являются несущими каркасами быстровозводимых сооружений, пролетными конструкциями железнодорожных и автодорожных мостов, путепроводов, эстакад, используются также в сооружениях башенного и мачтового типа, в обшивках панелей и для перекрытий. Именно конструкции из металла позволяют превращать стены зданий из несущих в ограждающие, не имеющие на себе вес целого здания, но защищающие внутренние помещения от агрессивной внешней среды.

Любая конструкция из металла в процессе эксплуатации подвергается многочисленным силовым и температурным воздействиям, действию агрессивной окружающей среды. В связи с чем, их несущая способность может постепенно снижаться.

К тому же современное производство постоянно развивается, в связи с чем необходимо техническое перевооружение многих заводов, фабрик, и соответственно, необходима реконструкция промышленных зданий с металлическим каркасом.

1 Доцент кафедры Строительных конструкций, кандидат технических наук.

2 Магистрант.

Самыми часто встречающимся причинами усиления металлических конструкций являются:

- реконструкция и модернизация основного и вспомогательного технологического оборудования, увеличение производительности оборудования, вызывающие увеличение нагрузок на конструкции;

- физический износ конструкций в результате интенсивной или длительной их эксплуатации;

- поражение конструкций коррозией;

- вредные температурные воздействия на конструкции;

- воздействия стихийного характера на конструкции;

- различные повреждения конструкций в результате нарушения правил их эксплуатации;

- повреждения (погнутости, вмятины и т.п.), полученные во время транспортировки и монтажа;

- ошибки при проектировании, изготовлении и производстве строительно-монтажных работ [1].

Чаще всего нуждаются в усилении колонны, стропильные и подстропильные фермы, балки, стойки.

Для их усиления применяются, в основном, традиционные способы: увеличение сечений элементов; изменение конструктивной схемы; установка дополнительных связей, ребер, диафрагм, распорок; подведение новых дополнительных конструкций или элементов; усиление соединений элементов; предварительное напряжение конструкций (частный случай).

Эти методы очень распространены, однако имеют ряд недостатков, таких как: уменьшение свободной площади помещений, цехов; возникновение дополнительных деформаций; большой объем сварочных работ; утяжеление конструкций в связи с приваркой дополнительных элементов [1].

Поэтому сегодня для усиления металлических конструкций требуется принципиально новый способ усиления, основанный на применении композиционных (композитных) материалов.

Усиление композитами металлических конструкций, в отличие от железобетонных, не так широко распространено. В основном, используются фиб-роармированные пластики, в качестве полимерной матрицы которых применяются различные термореактивные и термопластичные полимеры, а для арматуры используются волокнистые и листовые материалы из стекла, полимеров, базальта, углерода.

К сожалению, российский опыт использования данных материалов не велик. Однако мониторинг недавних исследований использования композитных материалов в Соединенных Штатах, Швейцарии, Соединенном Королевстве и Японии показал, что наибольшее распространение для восстановления и усиления стальных конструкций получили углепластики, то есть композиты, армированные углеволокном, из-за их высокой прочности и

терпимости к усталостным повреждениям. Но, к примеру, базальт-армиро-ванные композиты все чаще рассматриваются для применения в гражданской инфраструктуре, из-за низкой стоимости и их превосходных химических и механических свойств.

Использование фиброармированных пластиков для усиления металлических конструкций имеет ряд особенностей:

1. Подготовка и обработка поверхности для усиления.

Надежность соединения фиброармированных пластиков с конструкцией сильно зависит от процессов обработки поверхности для приклеивания. Подготовка поверхности и прочность наложения наносимого углепластика может существенно повлиять на характеристики усиливаемой конструкции.

Чтобы получить чистую, пригодную для нанесения углеволокна поверхность, ее сначала обрабатывают с помощью шлифовального круга, чтобы усилить сцепление стали и углепластика, затем промывают ацетоном, либо другим активным растворителем.

Установлено, что пескоструйная обработка является наиболее эффективной для обработки поверхности.

Подготовка включает обработку поверхности подложки, включающую следующие шаги:

- Удаление имеющегося покрытия (то есть старой краски), шлака и других продуктов коррозии. Эта операция может быть выполнена с использованием проволочных щеток или терок для механического удаления шлака и окалины. Особая осторожность нужна при очистке хрупких элементов (чугуна), следует избегать использования перфораторов и других подобных инструментов.

- Обезжиривание растворителем. Для этого используются специально подобранные подходящие растворители, которые позволят удалить жир и избежать распространения загрязнения по склеиваемой поверхности.

- Абразивная очистка. Для этого должна применяться сухая или влажная пескоструйная очистка, чтобы поверхность усиливаемого элемента была химически активна перед склеиванием. Весь мусор после очистки должен быть удален с помощью только воды.

- Сушка поверхности. Если поверхность влажная после абразивной очистки и смыва мусора, она должна быть просушена немедленно, чтобы исключить быстрое образование оксидных слоев на очищенной поверхности.

- Химическое травление. В случае формирования оксидных слоев, на оцинкованной или нержавеющей стали, требуется кислотное травление с последующей нейтрализацией продуктов травления. Эта операция не требуется в случае применения малоуглеродистой стали и чугуна.

- Нанесение праймера (грунтовки). Первый слой адгезионной смолы должен быть нанесен так быстро, как только возможно сразу же после очистки поверхности подложки, не позднее двух часов после очистки. В некоторых случаях применение праймера требуется для того, чтобы обеспечить совместимость существующей металлической поверхности с наносимым впоследствии композитным материалом (ФАП).

- Заполнение неровностей. Небольшие неровности на поверхности металла могут быть заполнены с использованием праймера и последующего слоя смолы. Значительные неровности, как например, в случае сильно проржавевших участков или сильно искривленных металлических элементов могут быть заполнены с использованием специального слоя смолы [2].

2. Необходимость предотвращения гальванической коррозии.

Несмотря на то, углепластик является нержавеющим материалом, когда

углеродные волокна находятся в контакте со сталью, они могут образовывать гальванический элемент. Для повышения прочности мостовых балок и прочности арматуры углепластика в стальной конструкции, необходимо предотвращение гальванической коррозии крайне необходимо. Это может быть достигнуто путем изолирования различных металлов друг от друга, или путем предотвращения непрерывной связи электролитического раствора между ними путем нанесения стойкого герметика. Очевидно, что, если два различных металла не находятся в контакте, гальваническая коррозия не имеет место.

Группой немецких ученых было проведено исследование гальванической коррозии между углеродом и сталью для различной толщины клеевого покрытия в различных электролитах, таких как морская вода и солевой раствор. Установлено, что минимальный слой покрытия клеем должен составлять 0,25 мм.

Также предотвращении гальванической коррозии может быть достигнуто за счет подбора клея с хорошими изоляционными свойствами, либо с помощью более толстого слоя эпоксидного клея, или водостойкого герметика или клеевого слоя плюс герметик.

3. Точность выбора материала и технология его приклеивания.

Модуль упругости, предел прочности при растяжении, формы, конфигурации фиброармированных пластиков, а также технология их приклеивания играют важную роль в отношении обеспечения необходимой усталостной прочности и долговечности усиливаемых стальных конструкций. Например, использование базальтового фиброармированного пластика имеет преимущества при увеличении сейсмостойкости здания, однако имеет относительно низкий модуль упругости, в связи с чем не может удовлетворять требованиям жесткости некоторых конструкций.

При выборе армированных волокнами полимерных материалов для усиления конструкций следует иметь в виду, что углеродные волокна нередко более предпочтительны, так как они имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости стали или превышающий его. Арамидные или стеклянные волокна такими свойствами не обладают. Однако при использовании полимеров, армированных углеродными волокнами, следует применять специальный изолирующий слой между композитом и усиливаемым элементом во избежание протекания электрохимической коррозии. При использовании полимеров, армированных стеклянными или арамидными волокнами, такой предосторожности не требуется.

Стоит отметить, что применение фиброармированных пластиков для усиления металлических конструкций имеет множество различий с применениям для усиления железобетонных конструкций.

4. Контроль качества в процессе усиления.

Контроль качества в процессе усиления с помощью фиброармированно-го пластика может включать частично разрушающие или неразрушающие испытания.

Если используется предварительно отвержденный фиброармированный пластик, то необходимые испытания композитных материалов должны быть произведены поставщиком. В случае если отверждение происходит на рабочем месте, то требуются лабораторные испытания. В обоих случаях должны быть подготовлены образцы для оценки прочности против расслаивания.

Для проведения частично разрушающих испытаний должны быть подготовлены дополнительные специальные испытательные зоны (свидетели), усиленные с помощью фиброармированных пластиков. Общая площадь образцов-свидетелей должна быть не менее 0,5 % от фактической площади усиления и в любом случае не менее не менее 0,1 м2. Зоны, являющиеся образцами свидетелями, разделяются на прямоугольные области размером 500 мм х 200 мм. Система усиления в этих специальных испытательных зонах должна быть такой же и из тех же материалов, что и фактически работающих зонах усиления. Кроме того, зоны - «свидетели» должны подвергаться таким же воздействиям окружающей среды, что и фактически работающие системы усиления. Если требуется более, чем одна прямоугольная специальная «испытательная» зона, то эти зоны должны быть равномерно распределены по усиливаемой конструкции. В любом случае, зоны - «свидетели» должны быть выбраны таким образом, что последующее проведение полу-разрушающих испытаний не повлияло на поведение усиливаемого элемента [2].

5. Использование клея и зависимость от времени его отверждения.

Время отверждения клея составляет около 48 часов. Если для работ по

усилению производственное здание или, к примеру, мост, не могут быть закрыты эпоксидный клей подвергается повторной нагрузки от работы кон-

струкции. Рекомендовано принимать, что изменение свойств эпоксидного клея, вызванных повторной нагрузкой во время отверждения, варьируется в пределах 10%.

Исследование показало, что во время отверждения эпоксидного клея, циклический нагрузка будет влиять на окончательную жесткость при максимальной циклической нагрузке 42 кН. Кроме того, сцепление композита и стальной конструкции будет уменьшаться, если сдвиговые деформации в слое эпоксидного смолы в процессе отверждения слишком велико. Рекомендовано ограничить напряжение сдвига в эпоксидной смоле максимум до 1 МПа.

К недостаткам применения композитов в качестве материалов усиления металлических конструкций следует отнести:

- стоимость;

- отсутствие российского опыта применения композитных материалов именно для усиления металлических конструкций;

- отсутствие нормативной базы для проектирования и расчетов;

- необходимость точного подбора материала и соблюдения технологии;

- принятие мер для устранения гальванической коррозии.

Однако несомненно, фиброармированные пластики являются передовым материалом и имеют множество преимуществ: прочность выше прочности стали; малый вес и небольшая толщина конструкций усиления; хорошие показатели сопротивления воздействию коррозионных повреждений; возможность усиления без остановки производственного процесса; нетоксичность и безвредность; работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.

Композитные системы усиления, используемые во многих странах в течение двух десятилетий, хорошо зарекомендовали себя как в обычных условиях, так и в зонах сейсмической активности. В нашей стране их уже широко применяют для усиления железобетонных конструкций, в связи с этим стоит надеяться, что применения композитных материалов для усиления металлических конструкций будет более подробно исследовано и со временем обретет популярность и повсеместное использование.

Список литературы:

1. СО 34.21.673 Рекомендации по усилению стальных конструкций производственных зданий и сооружений энергопредприятий.

2. Овчинников И.Г., Овчинников И.И., Чесноков Г.В., Покулаев К.В., Татиев Д.А. О разработке нормативных документов по усилению металлических строительных конструкций композитными материалами // Материалы Международной научно-практической конференции «Инновации и исследования в транспортном комплексе». - Курган. 2014.

3. Овчинников И.Г., Овчинников И.И., Чесноков Г.В., Покулаев К.В., Татиев Д.А. Усиление металлических конструкций фиброармированными

пластиками. Часть1. Состояние проблемы // Интернет-журнал «Науковедение». - 2014. - Выпуск 3: май-июнь.

4. Рязанцев В.Ю. Методы усиления и восстановления зданий и сооружений с использованием элементов внешнего армирования из углеволокна / В.Ю. Рязанцев, В.А. Беляев // Электронный журнал «Предотвращение аварий зданий и сооружений». - 05.04.2013.

5. Al-Saidy, A.H, Klaiber, F.W. and Wipf, T.J. (2004), «Repair of Steel Composite Beams with Carbon Fiber-Reinforced Polymer Plates». ASCE Journal of Composites for Construction, 8, pp. 163-172.

6. Liu, X., Silva, P., Nanni, A. 2001. Rehabilitation of Steel Bridge Members with FRP Composite Material. In Proc., CCC 2001, Composite in Construction, Porto, Portugal, 10-12 October, edited by J. Figueras, L. Juvandes and R. Furia. Eds.

7. Tavakkolizadeh M, Saadatmanesh H. Galvanic corrosion of carbon and steel in aggressive environments. Journal of Composites for Construction. 2001; 5(3): 200-210.

8. Shaat A, Schnerch D, Fam A, Rizkalla S. Retrofit of steel structures using fiber-reinforced polymers (FRP): state-of-the-art. Proceedings of the Transportation Research Board (TRB) Annual Meeting; 2004.

9. Zhao X-L, Zhang L. State-of-the-art review on FRP strengthened steel structures. Engineering Structures. 2007; 29(8): 1808-1823.

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ СВЧ РЕЗОНАТОР

© Маслов А.Д.1, Гумиров Р.З.

Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации, г. Смоленск

В РЭА широко применяется СВЧ резонаторы, резонансные частоты которых необходимо регулировать. Во многих случаях такие резонаторы выполняются в виде коаксиальной конструкции. Механизм подстройки частоты для таких резонаторов сводится к изменению длины коаксиального волновода, что легко решается при использовании микрометрической резьбы подвижной части резонатора. Для уменьшения геометрических размеров резонатора широко применяется подключение на конце волновода укорачивающего конденсатора С, емкость которого выбирается в соответствии с необходимым диапазоном перестройки частоты резонатора.

Ключевые слова СВЧ резонаторы, четвертьволновый коаксиальный резонатор, перестройка частоты.

1 Доцент 11 кафедры, кандидат технических наук, доцент.