Прочность и деформативность коротких усиленных стоек при малых эксцентриситетах

Прочность и деформативность усиленных коротких стоек при малых

эксцентриситетах

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

Аннотация: Приведены и проанализированы данные о результатах испытания коротких железобетонных стоек с гибкостью ^=10, усиленных внешней углепластиковой арматурой при внешнем приложении нагрузки с эксцентриситетом е0=2см. Установлены границы влияния различных вариантов усиления на прочность и деформативность стоек при расположении нагрузки в пределах ядрового сечения.

Ключевые слова: бетон, железобетон, арматура, углепластик, нагрузка, прочность, деформативность.

Данная статья является продолжением освещения второго этапа исследований [1-5], который проводится на кафедре железобетонных и каменных конструкций РГСУ. Она посвящена несущей способности коротких железобетонных стоек (Серии Б), усиленных углепластиком. Образцы этой серии, результаты испытания которых размещены на страницах настоящего журнала, имели одинаковое сечение 250x125^) и длину 1200мм. Совпадают также продольное и поперечное армирование, гибкость А^=10 и методика проведения экспериментов. Это дает возможность для сопоставления полученных результатов. Здесь отметим лишь особенности исследования образцов серии Б. Она предусматривает приложение нагрузки с эксцентриситетом е0=2,0см. Это тот случай, когда действующая нагрузка приложена в пределах ядрового сечения, не выходя за его границы. Случай, когда сила имеет эксцентриситет е0<0,3^, называется случаем малых эксцентриситетов. В сжатых элементах многоэтажных зданий, особенно в современных монолитно-каркасных, имеют место и малые, и большие эксцентриситеты. Это зависит от этажа, на которых разлагаются колонны и место их расположения на плане, т.к. меняется соотношение действующих моментов и продольных сил. Поэтому

исследование рассматриваемых стоек представляет определённый интерес [6].

Загружение выполнялось ступенчато возрастающей нагрузкой с использованием домкрата ДГ200П150 до разрушения. Интенсивность нагрузки на каждом этапе составляла 100кН до уровня 0,8Киц и 50кН - после него. Выдержка на каждом этапе нагружения составляла 10-15 минут. Это время необходимо для замера деформаций исследуемых образцов и перераспределения напряжений в сечениях усиленных образцов. Для этой цели использовались прогибомеры, индикаторы часового типа и тензодатчики сопротивления.

Конструкции серии Б предусматривают пять вариантов усиления, обязательным компонентом которых являлись поперечные хомуты разной ширины, вплоть до полного обертывания и шаг хомутов. Отдельные стойки имели и продольное усиление.

Все хомуты были выполнены из трех слоев углеткани холодного отверждения в виде непрерывной ленты со стыком в нахлестку на одном из улов. Продольное усиление представляли полосы на основе углеродных волокон горячего отверждения. Физико-механические свойства стальной и композитной арматуры определялись согласно [7,8] и подробно изложены в работах [9,10].

Оценка влияния каждого из вариантов усиления осуществлялась методом прямого сопоставления результатов испытания эталонных и усиленных образцов.

Характеристика всех опытных образцов, которые соответствуют требованиям [6], и результаты их испытания по прочности приведены в табл.1.

Поведение всех опытных образцов под нагрузкой было следующим.

Эталонная стойка БГ - несмотря на наличие эксцентриситета, стойка равномерно деформировалась по всему сечению до нагрузки в 550кН. Вместе с тем, разделение на сжатую и растянутую зоны произошло уже при нагрузке К=50кН. Однако средние деформации сжатия на этапе предшествующем разрушению, по сравнению с деформациями растяжения были почти в три раза выше. Разрушение стойки было плавным с большей площадью дробления бетона сжатой зоны, шириной 20см, начиная от середины высоты стойки. Видимая высота дробления бетона с оголением арматуры составила около 5 см. Одновременно со стороны растянутого бетона появилась критическая трещина с раскрытием до 1мм.

Таблица 1

Результаты испытания коротких стоек, усиленных углепластиком при

осевом эксцентриситете е0=2,0см.

Характе ристики опытны х образцо в Шифр стоек Прочно сть бетона я, МПа Характер усиления углепластиком Предельные деформации Опытные значения Коэффиц иент усиления

Сжатие • ю-3 Растяж ение • ю-3 Прочно сть Ыу, кН Прогиб ы /*ехр ^ мм

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Сечения - 250x125 (И) мм Ь=1200мм, Хь=10; е0=2. Продольное армирование БК 38,9 Эталон 4,72 1,64 592,5 12,94 -

БКУ-Х1 38,6 Хомут шириной 50мм, шаг 190мм. 5,88 2,24 778,9 15,73 1,315

784,9 1,325

БКУ- Х2 38,9 Хомут шириной 50мм, шаг 140мм 4,73 1,61 794,7 7,26 1,34

794,7

БКУ- Х2Ьс 41,6 Хомут шириной 50мм, шаг 140мм +2 полосы в сжатой зоне 3,94 1,42 800 4,71 1,35

1,26

748,1

БКУ- 40,8 Хомут шириной 4,49 2,15 700 6,51 1,18

Х1Ьр 50мм, шаг 190мм +2 полосы в растянутой зоне. 667,4 1,13

БКУ- Х5 41,6 Обойма на всю длину колонны. Ь=700мм 6,81 2,63 844,0 7,96 1,42

789,2 1,33

Примечания: 1) Деформации бетона на сжатие и растяжение, а также прогибы стоек указаны на этапе предшествующем разрушению. 2) Прочность бетона и арматуры определялась по результатам испытания образцов.3) В знаменателе столбиков 7 и 9 табл. 1 показаны значения с учетом коэффициента перехода к прочности бетона эталонных образцов.

Физико-механические характеристики композитных материалов и методика усиления конструкций приведена в работах [9,10]

Усиленные стойки - БКУ-Х1 - усиление хомутами шириной 50мм с шагом 190мм. Поперечные трещины в растянутой зоне до нагрузки К=700кН - не образовывались. Однако появилась трещина вдоль арматуры в сжатой зоне в верхней трети высоты стойки. Разрушение образца произошло от дробления бетона между хомутами в середине высоты стойки и было более плавным по сравнению с эталонном. Высота дробления бетона составила более 5см. Одновременно в растянутой зоне появилась критическая трещина с раскрытием до 3 мм.

БКУ-Х2 - усиление отличается только шагом хомута, который равен 140мм. Характер поведения под нагрузкой был аналогичен предыдущей стойке при, практически, одинаковым коэффициенте усиления. Однако деформативность образца оказалась в 2 раза меньше. Заметно ниже были и средние деформации со стороны растянутой и сжатой зоны. Разрушение было еще более спокойным и произошло из-за дробления бетона между вторым и третьим хомутами ниже середины стойки. Высота дробления -

более 6,5см. Трещины появились не только в зоне дробления бетона но и выше середины стойки. Их раскрытие было менее 1мм.

БКУ-Х2Ьс - отличается наличием двух продольных полос усиления из углеламината, наклеенных на сжатую зону. При нагрузке К=500кН произошел резкий спад давления со своеобразном треском, причиной которого послужило хрупкое разрушение углеламинатов возле верхнего анкерующего хомута. Одновременно произошло выпучивание обеих полос в виде треугольника. При следующем этапе загружения верхние части полос наложились на нижние. Однако разрушение образца произошло при более высокой нагрузке. Коэффициент усиления был близок к двум первым усиленным стойкам. Фактически, с учетом коэффициента перехода прочности бетона к эталонному образцу, указанный коэффициент, заметно снизился.

БКУ-Х1Ьр - к стандартному поперечному хомуту добавлено усиление двумя полосами со стороны растянутой зоны. В отличие от гибких стоек наличие растянутых полос в коротких стойках показало низкий коэффициент усиления. При этом, средняя деформация бетона обеих зон и прогибы стойки оказались больше, чем при наклеивании продольной арматуры на сжатую зону. Разрушение было плавным от дробления бетона между вторым и третьим хомутами вниз от середины. Видимая высота дробления бетона -4см. Одновременно в центре стойки со стороны сжатого бетона откололись углы на участках между хомутами и образовались вертикальные трещины вдоль арматуры.

БКУ-Х5 - полная обойма из трех слоев углеткани. В условиях сложного напряженного состояния, стойка работала как изгибаемый элемент. На этапе, предшествующем разрушению, все показатели по деформациям бетона и стойки в целом, оказались самыми большими, а коэффициент усиления был сопоставим с вариантом усиления хомутами по типу Х2. Разрушение очень

плавное, путем постепенного нарастания прогибов с идеальной линией изгиба. Уже в процессе разрушения в центре сжатой зоны в виде треугольника с катетом 7-10мм выпучились слои углеткани, без выпучивания крупного заполнителя.

Анализ результатов испытания стоек, загруженных с эксцентриситетом е0=2см, показал следующее:

- Наиболее эффективным вариантом усиления оказалось использование равномерно распределённых по длине стоек хомутов шириной 50мм и шагом 140мм.

- Сопоставимым по прочности, но не по расходу материалов, оказалось усиление полной обоймой. Вместе с тем, именно наличие обоймы, обеспечило наиболее плавное и постепенное разрушение стоек, заметное на глаз.

- Усиление коротких стоек с дополнительным использованием продольной углепластиковой арматуры, особенно в растянутой зоне, ослабляет влияние поперечных хомутов на увеличение несущей способности.

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., 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

3. Польской П.П., Маилян Д.Р., Мерват Хишмах, Кургин К.В. О прочности балок из тяжелого бетона при использовании стальной, углепластиковой и комбинированной арматуры, расположенной в два ряда // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2096

4. Польской П.П., Маилян Д.Р., Мерват Хишмах, Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры // Инженерный вестник Дона, 2G13, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2G13/2G94

5. Польской П.П., Георгиев СВ. Вопросы исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных различными видами композитных материалов // Инженерный вестник Дона, 2G13, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2G13/2134

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

7. Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1 // General rules and rules for buildings, 2GG4.

8. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. // ACI 44G.2R-G8. American Concrete Institute, 2GG8.

9. Маилян Д.Р., Польской П.П., Георгиев C3. Методики усиления углепластиком и испытания коротких и гибких стоек // Научное обозрение, 2G14, №1G, ч.2. C.415-418

1G. Польской П.П., Георгиев C3. Характеристики материалов, используемых при исследовании коротких и гибких стоек, усиленных углепластиком // Научное обозрение, 2014г, №1G, ч.2. C.411-414.

References

1. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2G12, №4/2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2G12/13G7

2. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2G13, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2G13/1675

3. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R., Mervat Hishmah, Kurgin K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2096

4. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R., Mervat Hishmah, Kurgin K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094

5. Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4

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

7. Rukovodstvo po usileniju zhelezobetonnyh konstrukcij kompozitnymi materialami [Guide to strengthening reinforced concrete structures by composite materials], pod rukovodstvom d.t.n., prof. V.A. Klevcova. M.: NIIZhB, 2006, p.48

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

9. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. // ACI 440.2R-08. American Concrete Institute, 2008.

10. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie, 2014, №10/2, pp.415-418

11. Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie, 2014, №10/2, pp.411-414.