Прочность и деформативность усиленных композитными материалами балок при различных варьируемых факторах

Прочность и деформативность усиленных композитными материалами балок при различных варьируемых факторах

Д.Р. Маилян, П.П. Польской

Влияние различных видов композитных материалов и других варьируемых факторов на прочность и деформативность усиленных балок, определялось методом прямого сопоставления результатов экспериментов. В качестве эталонных, были приняты обычные железобетонные балки без композитного усиления.

Результаты проведенных испытаний по прочности и их первичная обработка приведены в столбах 5 и 6 табл. 1.

Проведенные эксперименты показали, что эффективность усиления железобетонных конструкций композитными материалами зависит от всех варьируемых факторов, перечисленных в задачах исследования а именно: вида стальной арматуры и композитного материала; процентов стального и композитного армирования; наличия или отсутствия анкерующих композитные материалы устройств.

Уровень приращения прочности балок с А500 первого этапа исследования, усиленных стеклопластиком, оказался практически в два раза выше по сравнению с аналогично усиленными образцами с А600 второго этапа. Указанное соотношение сохраняется и при двукратном увеличении площади поперечного сечения композитного материала. Таким образом, можно отметить, что с увеличением процента стального армирования, обратно пропорционально изменяется эффективность композитного усиления с использованием стеклоткани.

Прочность балок, усиленных стеклопластиком, на I этапе проведения опытов увеличивается вместе с увеличением площади сечения композитного материала. С ростом процента стального армирования (балки II этапа) эффективность усиления снижается при одновременном уменьшении уровня приращения прочности.

Степень приращения прочности опытных образцов, усиленных углепластиком в балках первого этапа оказалась сопоставимой с усилением стеклотканью. Однако при увеличении площади сечения углепластика в два раза, эффект приращения несущей способности наоборот уменьшился примерно на 20%. Балки второго этапа, у которых процент стального армирования в два раза больше, по-

казали практически нулевой процент приращения нагрузки из-за отрыва защитного слоя бетона. Последнее свидетельствует о том, что усиление балок с использованием большой площади композитной арматуры делает это усиление не эффективным, если отсутствуют конструктивные мероприятия. При этом, несущая способность такого сечения сопоставима с прочностью эталонного образца.

Таблица № 1

Результаты испытания опытных балок по прочности

Этапы испытан. балок по виду стальной ар-ры Серия балок по виду композита Шифр балок Площадь ком-пози- та, 2 см Опытная прочность балок ыехр, ы/хр, кН Мах. приращение несущей способности N .хр / Ыехр % Нагрузка ЫГ при предельно допустимом прогибе и=1о/20 0кН Приращение предельно допустимой нагр. Ыехр/ ыехр %

1 2 3 4 5 6 7 8

I этап А эталон Б-1-1 - 57,9 - 57,7 -

Б-1-2 - 60,6 - 60,6 -

Б стеклоткань БУ§-1-1 0,765 72,5 22,4 69,5 17,49

БУ§-1-2 1,53 90,8 53,2 75,5 27,64

В углеткань БУс-1-1 0,622 93,6 58,0 93,6 58,24

БУс-1-2 1,245 84,0 41,8 84 42

Г углеламинат БУь-1-1 0,7 96,0 62,0 96 62,29

БУь-1-2 1,4 84,0 41,8 84 42

Д углеламинат +анкеры * БУь -1-1 0,7 120,0 102,5 100 69,06

* БУь -1-2 1,4 140,1 136,3 129 118,1

II этап. А эталон БУ-2-1 - 125,2 - 111 -

БУ-2-2 - 124,6 - 110 -

Б стеклоткань БУ§-2-1 0,765 140,0 12,1 113,5 2,7

БУg-2-2 1,53 151,0 20,9 116 4,97

БУg-2-3 1,53 148,3 18,7 113 2,26

Тоже + полуанкеры * БУg -2-4 1,53 155,8 24,7 116 4,9

В углеткань БУс-2-1 0,622 148,0 18,5 131 18,55

БУс-2-2 1,245 134,0 7,3 131 18,55

Г углеламинат БУь-2-1 0,7 133,7 7,04 127 14,9

БУь-2-2 1,4 128,0 2,48 128 15,84

Д углеламинат +анкеры * БУь -2-1 0,7 166,0 32,9 132,5 19,9

БУЪ*-2-2 1,4 206,0 64,9 150 35,75

Примечание: символом и Ы1^ обозначена величина опытной нагрузки,

приложенной на траверсу, соответственно при испытании эталонной или усиленной балки.

Наличие U - образных анкеров на торцах усиливающих элементов резко увеличивает несущую способность усиленных балок, которая сопоставима с предельной прочностью железобетонного элемента с одиночной арматурой. При этом эффективность анкеров несколько снижается при увеличении прочности стали и при резком увеличении процента стального армирования.

Все изложенное свидетельствует о том, что усиление нормальных сечений балок не может происходить без усиления наклонных сечений. Необходима также и разработка других конструктивных мероприятий, обеспечивающих равнопроч-ность нормальных и наклонных сечений.

На основе опытных данных были построены графики (рис.1) зависимости прогибов балок от величины действующих нагрузок для всех опытных образцов, испытанных на I и II этапах. При сравнении указанных графиков, на всем диапазоне нагрузок, деформативность эталонных балок второго этапа с арматурой класса А600 заметно ниже по сравнению с аналогичными балками первой серии, где рабочая арматура - А500. Это вполне объяснимо и связано как с прочностью арматуры, которая для класса А600 в 1,2 раза выше, так и вдвое большим процентом стального армирования.

Деформативность балок, усиленных стеклотканью, практически не отличается от эталонных образцов первого и второго этапов исследований.

Деформативность балок, усиленных разными видами углепластика заметно ниже по сравнению с эталонными образцами и практически не зависит от вида стальной арматуры. Вместе с тем, степень влияния разного вида композита - различна.

Увеличение процента композитного армирования приводит к уменьшению деформации опытных образцов, вне зависимости от вида композитных волокон.

При этом степень влияния величины ц/ - также различна.

• 1)111*111» пицц »»и» «I ; 1 I 1 ) 1 1 » II и и |> 1! рь Р и

Рис. 1.- Сопоставление зависимости прогибов эталонных и усиленных опытных балок в зависимости от величины нагрузки при испытании на первом (а) и втором (б) этапах эксперимента

Цифрами 1-12 обозначен шифр опытных образцов:

Деформативность однотипных балок, усиленных стеклопластиком, резко отличается в балках I и II этапов. Она меньше там, где выше класс арматуры и больше её площадь. Для балок, усиленных углепластиком, различие не столь велико.

Наличие анкерных устройств U - образной формы на торцах углеламинатов или холстов из углеткани уменьшает деформативность балок, независимо от класса арматуры и одновременно резко повышает прочность. При этом прочность увеличивается вместе с ростом сечения композитного усиления.

Приведенные данные о прогибах балок на обоих этапах исследования, свидетельствуют об их зависимости от класса арматуры, вида композитного материала и процентов их армирования, которые в должной мере пока не учитываются в расчёте.

Литература

1. П.П. Польской, Д.Р. Маилян «Композитные материалы - как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений» : Эл. журнал «Инженерный вестник дона», № 4,Ростов-на-дону,2012.

2. П.П. Польской, Мерват Хишмах, Михуб Ахмад. «О влиянии стеклопластико-вой арматуры на прочность нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона». : Эл. Журнал «Инженерный вестник Дона» №4, Ростов-на-Дону, 2012.

3. СП63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.М.:ФАУ«ФЦС»,2012.С.155.

4. ГОСТ 10180-90 Бетоны . Методы определения прочности по контрольным образцам.-Введ.1991-01-01.-М.:Изд-во стандартов,1990. с.36

5. ГОСТ 12004-81: Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. -Введ.01.07.1983.-М.:Изд-во стандартов, 1981.

6. ГОСТ 25.601-80 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов) Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах».

7. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. Под руководством д.т.н., проф. В.А. Клевцова. - М.: НИИЖБ, 2006 -48с.

8. ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний загружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. - Взамен ГОСТ 8829-85;введ. 01.01.1998. -М.: Госстрой России ГУП ЦПП, 1997 - 33с.

9. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. ACI 440.2R-02. American Concrete Institute.

10. Guide for the design and construction of externally bonded FRP sy stems for strengthening concrete tructures. ACI 440.2R-08. American Concrete Institute.

11. Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2004.