Содержание к диссертации
Введение
Глава І. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1. Общие сведения о развитии методов усиления строительных конструкций 13
1.2. Экспериментальные исследования железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами
1.2.1. Исследования, выполненные в России 17
1.2.2. Зарубежные исследования в области усиления конструкций композитными материалами 22
1.3 Анализ проведенных экспериментальных исследований 30
1.3.1 Общие сведения 30
1.3.2 Виды разрушения изгибаемых элементов, усиленных композитными материалами 31
1.3.3 Влияние различных факторов на несущую способность усиленных железобетонных элементов с использованием композитных материалов. 34
1.4. Методы расчета прочности изгибаемых элементов, усиленных композитными материалами 37
1.4.1 Методика расчета в России 38
1.4.2 Зарубежные методики расчета 39
1.5. Оценка долговечности железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами 43
1.6.Задачи настоящего исследования 49
Глава 2. Программа экспериментальных исследований и свойства материалов .
2.1. Характеристика использованных материалов 51
2.2. Прочность исследуемых материалов 58
2.2. 1. Прочность бетона 58
2.2. 2. Прочность холстов из композитных материалов 60
2.3. Общие требования по технологии выполнения работ при усилении конструкций в системе MBRACE 64
2.4. Программа исследования и характеристика опытных балок 65
2.5. Методика усиления балок 70
2.6. Методика испытания 72
2.7. Выводы по главе 2 74
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований влияния вида композитных материалов и процентов стального и композитного армирования на прочность, деформативность и трещиностойкость усиленных балок 76
3.1. Особенности трещинообразования опытных образцов при изменении видов арматуры, композитных материалов и других варьируемых факторов.
3.2. Характер разрушения опытных балок усиленных композитными материалами 86
3.3. Прочность и деформативность эталонных и усиленных балок при различных варьируемых факторах 90
3.4. Ширина раскрытия нормальных трещин для эталонных и усиленных балок при различных варьируемых факторах 95
3.5. Выводы по главе 3 99
Глава 4. Анализ опытных данных и предложения по учёту вида стальной и композитной арматуры при расчёте ширины раскрытия нормальных трещин и деформативности усиленных балок 102
4.1. Анализ влияния вида стального и композитного армирования на ширину раскрытия нормальных трещин 102
4.2. Совершенствование методики расчета ширины раскрытия нормальных трещин ПО
4.2.1. Сопоставление теоретических и опытных значений ширины раскрытия нормальных трещин ПО
4.2.2. Учет влияния различных факторов на ширину раскрытия нормальных трещин 115
4.2.3. Уточнение методики норм при расчете ширины раскрытия нормальных трещин 120
4.3. Анализ экспериментальных данных по деформативности опытных образцов 121
4.4.Предложения по совершенствованию методики расчета эталонных и усиленных балок по деформациям 132
4.4.1. Сопоставление теоретических и опытных прогибов усиленных образцов при расчете по методике норм 132
4.4.2. Предложения по совершенствованию методики норм и руководства при расчете прогибов обычных и усиленных элементов 141
4.5. Выводы по главе 4 147
Глава 5. Рекомендации по расчету прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, анализ опытных данных 150
5.1. Анализ результатов экспериментов по прочности 150
5.1.1. Влияние вида композитного материала на прочность нормальных сечений 154
5.1.2. Влияние процентного содержания стальной и композитной арматуры на эффективность усиления нормальных сечений 155
5.1.3. Влияние анкерных устройств U-образной формы на изменение прочности нормальных сечений 158
5.2. Методика расчета железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами, принятая в РФ 161
5.2.1. Основные расчетные положения методики расчета 161
5.2.2. Сопоставление опытных и теоретических значений прочности нормальных сечений, усиленных образцов 167
5.2.3. Предложения по совершенствованию методики расчета, заложенной в руководстве по усилению железобетонных конструкций 173
5.3. Сравнение расчетных аппаратов России, США и метода аналоговой фермы на базе экспериментальных данных автора 176
5.4.Сопоставление трех методов расчета с использованием данных российских и зарубежных исследователей 183
5.5. Выводы по главе 5 192
Основные выводы 194
Литература
- Зарубежные исследования в области усиления конструкций композитными материалами
- Прочность исследуемых материалов
- Характер разрушения опытных балок усиленных композитными материалами
- Методика расчета железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами, принятая в РФ
Введение к работе
Актуальность темы. Железобетонные конструкции занимают ведущее место в мировом капитальном строительстве. Одновременно с ростом объемов промышленного и гражданского строительства растут и объемы работ, связанные с ремонтом, восстановлением и усилением этих конструкций.
Повышение эффективности ремонтно-восстановительных работ в настоящее время невозможно без совершенствования проектных решений по усилению конструкций, которые бы обеспечили их надежность, долговечность и экономичность. Эти показатели в равной степени зависят от снижения стоимости и трудоемкости технологических процессов при усилении, экономичного использования материальных и энергетических ресурсов, применения новых материалов.
Одним из таких направлений при усилении конструкции является использование композитных материалов на основе стекло- и углепластиков, которые, благодаря таким качествам, как высокая прочность на растяжение, малый вес, технологичность и невосприимчивость к агрессивной среде, находят все большее применение.
Вместе с тем, следует отметить, что проведенные эксперименты по исследованию прочности железобетонных балок, усиленных с помощью различных видов композитных материалов, показали разный характер разрушения опытных образцов. Многие авторы, используя однотипные материалы, получили противоречивые результаты. Причина, на наш взгляд, кроется в отсутствии комплексности при проведении исследований, которые бы учитывали соотношение размеров опытных образцов, процент стального и композитного армирования, наличие и количество поперечной арматуры, схему загружения, технологию выполнения работ по усилению, а также наличие и вид анкерующих композитные материалы устройств.
Практически отсутствуют опытные данные, полученные в одинаковых условиях и при единой методике испытания элементов, учитывающих различные варьируемые факторы, в том числе различные виды арматуры и композитных материалов.
Нет единого мнения о влиянии анкерующих устройств, установленных на конце композитных материалов, на прочностные и деформативные свойства усиленных элементов.Нет полной ясности в вопросе наиболее рациональной конструкции композитного усиления.
Цель работы- провести комплексные исследования нормальных сечений железобетонных балок, изготовленных, усиленных и испытанных по единой методике, где в качестве варьируемых факторов использовались бы разное соотношение видов и процентов стального и композитного армирования. На основе полученных результатов разработать предложения по совершенствованию существующего расчетного аппарата.
Автор защищает:
новые экспериментальные данные по прочности и деформативности железобетонных балок с двумя видами рабочей арматуры классов А500 и А600, усиленных тремя видами композитных материалов, в которых при изготовлении и испытании по единой методике варьировались проценты стального и композитного армирования и анкерующие устройства;
предложения по учету вида и количества стальной и композитной арматуры при расчете прочности и деформативности согласно Руководству по усилению железобетонных конструкций композитными материалами;
новые данные о характере разрушения и несущей способности железобетонных элементов переармированных в процессе усиления внешней композитной арматурой;
новые данные о влиянии анкерных устройств, установленных на торцах композитных холстов или ламинатов, на несущую способность усиленных элементов;
новые данные о влиянии процента продольного армирования в зависимости от вида арматуры и композитных материалов на прочность и деформатив- ность усиленных железобетонных элементов;
данные о сопоставлении расчетных методик России, США и Италии с использованием выборки экспериментальных данных отечественных и зарубежных исследователей;
предложения по совершенствованию расчета железобетонных конструкций усиленных композитными материалами;
новые данные о влиянии вида и количества стальной и композитной арматуры на характер трещинообразования и развития трещин в элементах, усиленных внешним армированием;
Научная новизна работы:
на основе комплексных исследований с изменением 10 варьируемых факторов, получены новые экспериментальные данные по прочности, деформатив- ности, трещиностойкости и ширине раскрытия нормальных трещин изгибаемых элементов изготовленных, усиленных и испытанных по единой методике;
получены новые данные о влиянии вида арматуры классов А500 и А600 и композитного материала на характер развития нормальных и наклонных трещин, особенно при достижении стальной арматурой предельных деформаций;
получены новые данные о характере развития нормальных трещин при изменении процентов внутреннего и наружного продольного армирования;
получена и обоснована новая форма разрушения усиленных балок при избыточном совокупном проценте продольного армирования;
получены новые данные об эффективности торцовых анкеров при изменении процентов композитного армирования;
разработаны рекомендации по совершенствованию существующей в России расчетной модели при расчете прочности и деформативности железобетонных конструкций с рабочей арматурой повышенной прочности, усиленных композитными материалами;
на базе экспериментальных данных автора и других отечественных и зарубежных исследователей (всего 49 результатов) проведено сопоставление 3 наиболее известных в России, Италии и США расчетных методик и дана оценка их эффективности.
Достоверность полученных результатов исследований и предложенных рекомендаций по расчету нормальных сечений, усиленных композитными материалами изгибаемых железобетонных элементов при различных варьируемых факторах обеспечена научной обоснованностью и высоким уровнем статистической надежности, полученных при обработке большого количества результатов тщательно проведенных экспериментов.
Практическое значение и внедрение результатов исследований. Разработаны практические рекомендации по проектированию конструкций усиления, которые включают в себя: влияние на несущую способность железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, класса рабочей арматуры разной прочности, в т. ч. не имеющей площадки текучести; поведение конструкции под нагрузкой при суммарных процентах стального и композитного армирования, превышающих граничный; роль и эффективность работы анкерных устройств для переармированных сечений при изменении вида композитного материала.
Внедрение разработанных рекомендаций позволяет повысить надежность и эффективность усиления изгибаемых железобетонных элементов с использованием нетрадиционного метода усиления.
Результаты исследований автора внедрены: в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете при чтении курса по реконструкции зданий и сооружений; переданы в научный и технический отделы проектно-строительного предприятия ООО «СевКавНИПИагропром» и ООО «Югстройпроект» для апробации рекомендаций при проектировании новых решений по усилению дефектных конструкций.
Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации доложены и получили одобрение на:
двух Международных научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство» (Ростов-на- Дону, апрель 2011, 2012 г.);
Всероссийской конференции: Усиление строительных конструкций с применением композитных материалов (г. Ростов-на-Дону, РГСУ, июнь 2012
г.);
V Международной конференции «Инновационные проекты и технологии в градостроительстве и управлении недвижимостью» (г. Ростов-на-Дону, кон- грессно-выставочный центр «ВертолЭКСПО», октябрь 2012 г.);
научно-практической конференции «Инновационные исследования строительных конструкций в работах молодых ученых Ростовской области», (г. Ростов-на-Дону, конгрессно-выставочный центр «ВертолЭКСПО», март 2013г.).
Основные результаты выполненных исследований и положения диссертации опубликованы в 9 печатных трудах, в том числе в 6 изданиях, курируемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Полный объем диссертации 209 страниц, в том числе: 135 страниц печатного текста, 45 рисунков, 40 таблиц, 99 наименований (позиций) библиографического списка использованной литературы, 4 страниц приложений.
Зарубежные исследования в области усиления конструкций композитными материалами
Усиление строительных и, в первую очередь, железобетонных конструкций выполняется с целью восстановления или увеличения их несущей способности, которая была утрачена вследствие их износа в процессе эксплуатации, перегрузки, неравномерной осадки фундаментов, при проведении реконструкции и многих других факторов, включая наличие агрессивной среды.
Процесс усиления или восстановления строительных конструкций осуществляется в настоящее время тремя основными методами или способами: без изменения расчетной схемы; с изменением расчетной схемы; с изменением напряжённого состояния.
Наибольшее распространение получил, метод усиления конструкций без изменения расчётной схемы, который больше известен под названием наращивание сечений. Именно с этого метода началась практика, а затем и теория усиления железобетонных конструкций. В настоящее время его чаще называют традиционным или классическим методом в силу того, что при наращивании сечений используются именно традиционные материалы - железобетон и сталь.
С момента своего появления и по настоящее время, метод наращивания сечений в широком его понимании прошел на пути своего развития три основных временных этапа.
Первые сведения об успешном усилении существующих изгибаемых железобетонных элементов в составе рамных конструкций в нашей стране относятся к 1919 году (первый этап). Оно выполнено инженером В.А. Струве с использованием замкнутого сечения из бетона и дополнительной арматуры. Первые попытки усиления и восстановления конструкций за рубежом относятся к 1912 г. В конце 20-х годов прошлого столетия начались исследования по изучению прочности соединения разновозрастных слоев бетона [10]. В 1938 го ду И.М. Литвинов [26] предложил метод усиления железобетонных конструкций односторонним наращиванием бетоном с добавлением арматуры.
В 1942 году была опубликована инструкция Наркомстроя, в которой был обобщен и систематизирован опыт по восстановлению и усилению железобетонных конструкций. Большой вклад в развитие теории и практики усиления несущих конструкций внесли А.А. Гвоздев [9], О.Я. Берг [3], В.В. Михайлов [32] и многие другие ученые. Обширный материал по обобщению опыта восстановления и усиления конструкций, классификацию способов усиления и расчетный аппарат представил Н.М. Онуфриев [37].
Метод усиления железобетонных конструкций с использованием обойм, рубашек, одно или двухсторонним наращиванием обладает целым рядом преимуществ, которые в ряде случаев невозможно превзойти. Основное из этих преимуществ - органическая идентичность элементов усиления с существующими железобетонными конструкциями. При этом сохраняется основное, очень важное свойство железобетона - его монолитность. Этим основным фактором и вызвана эффективность, надежность и долговечность классического метода усиления. Благодаря перечисленным факторам, целым рядом проектных институтов бывшего СССР были разработаны атласы схем и чертежей по восстановлению и усилению конструкций зданий. Один из них подготовлен[28]
Однако, несмотря на целый ряд важных преимуществ указанного метода, он имеет и существенные недостатки: сложность производства работ, особенно в стесненных условиях; необходимость вскрытия арматуры существующих конструкций и необходимость выполнения сварных работ; невозможность проведения работ по усилению конструкций без остановки действующего производства. Указанные недостатки предопределили новые научные исследования, направленные на поиск менее трудоемких способов усиления.
Указанная проблема была в основном решена на основе использования различных полимеров и композиций на их основе. Во многих случаях полимерные композиции дополнили и расширили традиционный метод усиления. Начиная с 60-х годов двадцатого столетия были проведены многочисленные исследования и накоплен отечественный и мировой опыт по использованию полимерных материалов, для соединения бетонных и железобетонных конструкций в замен сварных работ. В большинстве своем, основой служили эпоксидные составы.
В основу данного метода усиления конструкций (условно второй этап) также положен метод внешнего армирования сечений, который предусматривает приклеивание дополнительных элементов. В качестве таких элементов могут быть продольные или поперечные арматурные стержни; стальные полосы усиления, которые наклеиваются в растянутой и (или) сжатой зонах; обычные или преднапряженные железобетонные элементы разной толщины.
Большой вклад в развитие данного варианта усиления и развития расчетного аппарата внесли исследования Н.А. Мощанского и др. [17], В.Г. Ми-кульского[29,30,31], И.С. Дурова и Н.И. Красулина[16,23], А.Г. Литвинова [25] и других авторов. Многие разработки ученых были апробированы в НИИЖБ под руководством д.т.н., профессора А.П. Васильева [7]. По результатам этих исследований авторы предлагали разные методики расчета, которые были обобщены ТбилЗНИИЭП и в 1990 году изданы в качестве официального документа в виде «Рекомендаций по восстановлению полносборных зданий поли-меррастворами [48]».
Из зарубежных исследователей большой вклад в развитие нового направления по усилению железобетонных конструкций внесли Т. Брин (Англия), В.Горгол (Чехословакия), Р. Лермит и Ж. Брессон (Франция), С. Кайфаш (Польша), А. Рон (Венгрия), С. Флеминг и Г. Кинг (ЮАР), В. Франк (бывшая ГДР), А. Холквиет (Норвегия) и др. [82].
Прочность исследуемых материалов
Данные о проведении и результатах длительных испытаний по прочности, деформативности, трещиностойкости и ширине раскрытия трещин для усиленных железобетонных конструкций при различных температурно-влажных условиях пока отсутствуют. Вместе с тем именно длительные испытания показывают истинный характер совместной работы в зоне контакта существующей конструкции и приклеенных к ним композитных материалов. Необходимость таки:х_испьітаний_обусловлена-и-чрезмерно-большой-разницей коэффициентов линейной температурной деформации между бетоном и композитными материалами, особенно на основе углепластиковых волокон. С учетом сказанного, проанализируем косвенные признаки долговечности материалов согласно имеющимся сведениям.
Длительная надежность клеевых составов, можно сказать, сомнению не подлежит. Подтверждением этому служит эксплуатация многих конструкций, соединенных клеевыми составами. В их числе работа основных несущих конструкций автомобильного моста через реку Дон на Ворошиловском проспекте города Ростова-на-Дону. Несущие элементы пролетных строений этого моста, имеющие коробчатое сечение, соединены между собой с использованием эпоксидных смол. В эксплуатацию он был сдан в октябре 1965 года.
В исследованиях А.А. Шилина и др. [68] представлены данные по долговечности композитных материалов на основе стекло и углеволокна. Они свидетельствуют о том, что при длительных испытаниях продолжительностью около 6 лет (более 500 000 часов) коэффициент длительной прочности составяет для углеволокна 0,91, а стекловолокна 0,3. То есть углеволокно практически не подвергается ползучести. При этом, как отмечают авторы, существует линейная зависимость длительной прочности от логарифма времени для любого уровня нагрузки.
По данным [86] срок службы углеволокна составляет 80-100 лет, т.е. сопоставим со сроком службы конструкций мостов регионального значения.
В работе [22] приводятся результаты исследований по огнестойкости конструкций, усиленных композитными материалами. Сами волокна не подвергаются горению и сохраняют свои свойства до 1000С и 275С соответственно для стекло- и углеволокон. Однако слабым местом является клеящий состав, который переходит в стеклообразное состояние при температуре в 50-60С, резко снижая эффект усиления. Для защиты конструкций с композитным усилением, разработаны раз личные огнезащитные пркрытия.и ліан ели - — В частности, покрытие «Барьер», разработанное НИИЖБ им. А.А. Гвоздева и ЗАО «Триада Холдин» (ТУ 5745-164-46854090-03) повышает предел огнестойкости конструкций в зависимости от толщины покрытия до 2-3 часов. Штукатурный огнезащитный состав «Монолит» (ТУ 5762-022-40366225-00) при толщине от 10 до 40 мм повышает предел огнестойкости с 1 часа до 4-х. По данным информационных источников наиболее эффективен в настоящее время состав «Огракс-ВВ», который при толщине 0,8 мм в процессе огневого воздействия увеличивается в объеме более чем в 10 раз.
Д.Н. Смердов [53] выполнил оценку выносливости на многократно-повторяющуюся нагрузку изгибаемых железобетонных элементов пролетных строений моста через реку Тишковка, усиленных углепластиком и оценил их морозостойкость при многократном замораживании и оттаивании. Для этой цели дополнительно были изготовлены 11 опытных образцов, 5 из которых были эталонными, а остальные - усилены одним слоем углеткани шириной 150 мм и дополнительными наклонными полосами по типу балки «3» (см.п. 1.2.1). Разме ры сечения и армирование балок было аналогичным основному испытанию. Испытание на выносливость проводилось динамической нагрузкой на пресс-Пульсаторе ГРМ-2А с частотой синусоидальных циклов 8,38 Гц. Загружение осуществлялось одной силой, расположенной в середине балки при пролете среза равном 3h0 или 0,665 м.
Для всех испытанных балок коэффициент асимметрии цикла р , равный отношению минимального уровня загружения к максимальному, был принят постоянным и равным 0,37. При этом менялся только уровень загружения балок по отношению к прочности эталонных образцов. Он был принят равным 0,55; 0,6; 0,7 и 0,88 для обычных балок (серия А) и 0,5; 0,55; 0,6; 0,7 и 0,8 - для усиленных балок (серия Б).
Предельная прочность балок при статическом загружении составила 122 кН для образца серии А и 169,8 кН - для «Б», что на 39,2% больше. Не вдаваясь _дальнейшие__подробности,-отметим-лишь -то, что при уменьшении уровня нагрузки от 0,88 до 0,55, выносливость обычных балок увеличивалась и находилась в пределах от 15974 до 545035 циклов загружения. Усиленные балки в диапазоне уровня нагрузок от 0,8 до 0,5 показали более высокие пределы изменения выносливости, составляющие 120672 - 1599407 циклов.
Приведенные данные указывают на то, что при одинаковых уровнях нагрузки усталостное разрушение усиленных образцов происходит при большем количестве циклов. Следовательно, при усилении железобетонных конструкций с использованием углепластика, повышается не только их статическая прочность, но происходит и увеличение усталостного ресурса железобетонных конструкций.
Характер разрушения опытных балок усиленных композитными материалами
Результаты испытания 22 опытных балок показали, что первые нормальные трещины при силовом воздействии появлялись во всех балках без исключения при нагрузке N=7,5±0,7 кН. На последующих этапах загружения появились новые нормальные трещины, дальнейший характер развития которых, как и уровень появления и развития наклонных трещин, находился в определенной зависимости от класса рабочей арматуры, процента стального армирования -is, а так же от вида композитной арматуры, наклеенной на растянутую грань балок, и коэффициента композитного армирования - u.f. Значительное влияние на характер развития нормальных и наклонных трещин в балках, дальнейшую форму их разрушения, и на прочность опытных образцов, оказали ан-керующие устройства, которые были установлены на торцах элементов усиления.
Характер развития трещин, виды разрушения балок и особенности поведения опытных образцов под нагрузкой подробно приведены в табл.3.1 и хорошо видны на рис.3. 1 и 3.2.
Эталонные образцы. Трещиностойкость эталонных образцов оказалась практически одинаковой, независимо от класса арматуры и процента стального армирования. Однако количество нормальных трещин в балках с рабочей арматурой класса А500 было меньше по сравнению с образцами с А600, у которых рабочая арматура была прочнее и больше по площади поперечного сечения. В балках II этапа исследования доминируют и в количестве и в характере развития не только нормальные, но и наклонные трещины. ТаблицаЗ.1 ддве полосы углеламина-та + анкеры гч11-Н 8,0 36/102 20 25 9/9 9/16 -По наклонномусечению; -магистральная накл.трещина пересекла всю высоту балки; срез сжатой зоны 1)N=114кН шелушение бетона возле анкера, развиваются накл. трещины. 2) Балка работает как свод. 3)Анкеры выполняют роль дополнительной опоры.
II Этап. Аэталон 1 8,0 56/92 23 23 10/13 11/19 -По нормальномусечению;-Дробление бетонасжатой зоны Большее кол-во норм, и накл.трещин по сравнению с балкамиI этапа 1 8,0 56/92 20 23 8/10 8/18 -По нормальномусечению;-Дробление бетонасжатой зоны.-одна магистральная норм, трещина 1) Тоже, что и балки № 1.2)При N=192 кН развивалисьтолько накл. трещины.
Этап. ткани И 1)N=56 кН над полуанкером по явились горизонтальная трещина; 2)N=116 кН датчики на стеклот Б Tt - По наклонному 6 слоев стекло- тка- ОХ) 8,0 56/128-152 22 23 10/16 11/18 сечению; - доминировала од- кани вышли из строя; чрезмерные деформации. ни + анкер UQ на накл. трещина. 3)N=128 кН - Отрыв полуанкера от боковой поверхности вместе с бетоном.4)разветвление норм.трещин Продолжение табл.3. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - По наклонному В і с сечению; 1) N= 104 кН - форма накл. тре 3 слоя 1 8,0 56,88/142 23 25 9/11 11/19 -Дробление бетона щин напоминаят работу свода. углеткани над концом накл. 2) Отсление композита у торца трещин, и срез. II В6 слоев 8,0 88/120 21 24 10/13 9/18 - По наклонномусечению;-Дробление бетонапод опорной пла- 1)N=120 кН появление микротрещин вдоль арматуры от торца композита. 2)Работа балки как свода.
Этап. углеткани стиной. - срез бетона под концом накл. трещин 3)Отрыв защитного слоя бетона вдоль арматуры длиной 25-30 см.
По наклонному сечению; г 1 -Дробление бетона 1 )N=88 кН - четко сформировал Одна полоса углеламината 8,2 56,104/128 18 25 10/11 13/18 под опорной пластиной. ся свод.2)вертикальная трещина в торце и накл.трещина с од- ламината. ной стораны пере- секла сжатую зону. » Окончание табл.3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
II Этап. Гдве полосы углеламината і с 1 8,5 56;88/120 18 23 11/12 11/18 - Сечение сжатой зоны бетона недоиспользовано; -Эффект усиления нулевой 1) Волнообразное по высотеразвитие трещин.2)N=120 кН-Горизонтальнаятрещина вдоль арм-ры от торцаламината. 3)Отрыв защитного слоя бетона вдоль арм-ры на длину 55-60 см. дОдна полоса уг-леламината+ анкеры і с і 8,0 56;88/128 18 23,5 12/16 11/14 - одновременно по норм.и накл. сечению; -дробление бетона над концом накл. трещинывысотой 5-7 см - крит. накл. трещина сначалом от анкера 1)N=128 кН растут только накл.трещин. 2) N=158 кН шелушения бетонав зоне чистого изгиба3)проекция накл .трещины приналичии анкера меньше на20см. ддве полосы углеламината + анкеры 1 8,0 56/98 21 25 9/11 9/16 - одновременное разрушения по норм, и накл .сеч. -Дробление бетона в зоне чистого изгиба и концом накл. трещины 1 )N= 142 кН - трещина в доль монт. арм-ры с началом от осиопоры.2)Минимальная деформация3) Проекция накл. трещины впролете среза, на 20 см меньше
Примечания: 1) В столбце 5 в числителе указана нагрузка, при которой нормальные трещины в пролетах срезов переходят в наклонные , а в знаменателе - нагрузка появления классических наклонных трещин с развитием в сторону опоры и нагрузки. Две цифры в числителе или знаменателе означают появление двух трещин рассматриваемых ви-дов.2)Количество наклонных трещин дано суммарно по двум пролетам среза.З)В столбцах 8 и 9 в числителе приведено количество трещин имеющих высоту не менее половины высоты балки, а в знаменателе - не более 1/3 её высоты.
Общей вид, характер развития трещин и разрушения опытных образцов второго этапа исследования с рабочей арматурой из 2014А6ОО, усиленных двумя холстами из различных видов композитных материалов. Содержания шифра балок дано в п.2.6. Усиленные образцы. Пропорция в соотношении нормальных и наклонных трещин, полученная на эталонных образцах, примерно сохранилось и для усиленных. Однако находилась она в некоторой зависимости от вида и количества композитного армирования. В целом эта пропорция оказалась несколько выше, чем при сравнении эталонных образцов.
Балки, усиленные стеклотканью, при эксплуатационном уровне нагрузки и выше получали резкое увеличение числа нормальных трещин высотой 5-6 см. Это имело место в балках обеих групп и происходило из-за раздвоения ранее появившихся нормальных трещин. Причина этого кроется, на наш взгляд, в низком модуле упругости стеклоткани, вследствие чего шло перераспределение напряжений от внешней арматуры (где сг f crs) на бетон, разрывая его.
Методика расчета железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами, принятая в РФ
Наименьшее значение, указанное отношение, как и при рассмотрении графиков, имеет место лишь в опытных образцах, усиленных с применением анкеров U-образной формы. Следовательно, можно утверждать, чем меньше ширина раскрытия трещин, тем эффективнее вариант усиления.
Сравнивая отношение afXIC/ asxlc, приведенное в столбце 8 эксплуатационном уровне нагрузки) при различных процентах композитного армирования \if, отмечаем, что при минимальном проценте стального армирования ц5=0,56% (I этап) увеличение процента композитного армирования Д/ в два раза привело к снижению ширины трещин на 17,4% при усилении стеклотканью; на 18,04% - углетканью; 36,2% - углеламинатом и 68,9% углеламинатом с анкером. В образцах II этапа исследования изменения величины и,- практически не сказалось на изменении опытных значений ширины раскрытия нормальных трещин, т.к. указанное отношение близко к единице.
Для окончательного суждения о влиянии композитного усиления на раскрытие трещин в столбце 7 табл. 4.2. приведено значение отношения ширины раскрытия трещин для усиленных балок - afxrc к аналогичной величине для эталонных балок - asut, при нагрузке, соответствующей величине предельно-допустимого прогиба для эталонных балок /схр = f,uh =IQ/200. Полученные данные свидетельствуют о том, что отношение afxrJ ascrc, соответствующие прогибу балок /ехр =fSMit, при увеличении процента композитного армирования uf в два раза соответственно для балок серии Б, В, Г и Д составило 1,08; 1,06; 1,32 и 1,4 на первом этапе эксперимента и 1,05; 1,13; 1,08 и 1,03- на втором.
Полученные данные свидетельствуют о том, что ширина раскрытия нормальных трещин при нагрузках, соответствующих величине предельно-допустимого прогиба, значительно меньше в балках, имеющих анкера U-образной формы. Наибольшую эффективность они показали в балках первого этапа исследования, где величина д3- меньше. Вместе с тем, следует отме тить, что на раскрытие нормальных трещин в балках II этапа исследования особое влияния оказывает развитие и раскрытие магистральных наклонных трещин, которые в балках I этапа, можно сказать, отсутствуют. Данное предложение хорошо прослеживается на графиках изменения ширины раскрытия трещин для эталонных балок I и II этапа исследования, (рис. 4.1 и 4.2)
Ширина раскрытия нормальных трещин для обычных изгибаемых железобетонных элементов, согласно введенного в действие с 1.01.2013г. свода правил СП 63.13330.2012 [58], определяется в соответствии с п. п. 8.2.15-8.2.18 по линейной зависимости с использованием формулы (8.128).Указанная формула при расчете ширины раскрытия нормальных трещин аСГСі позволяет учитывать такие факторы, как: напряжение в продольной арматуре - (8.129); базовое расстояние между смежными нормальными трещинами - /, (8.136); неравномерное распределение относительных деформаций растянутой арматуры между трещинами -yss(8.138), а также продолжительность воздействия нагрузки посредством коэффициента срх; профиль арматуры - р2 и характер нагружения рг. Расчет по раскрытию трещин для усиленных композитной арматурой элементов, Руководство по усилению железобетонных конструкций...[50] предлагает проводить в соответствии с указаниями норм [58] с некоторыми изменениями. Они касаются формулы(8.129), в которой значение момента инерции приведенного сечения рекомендуется определять по формуле (5.5) [50], в которой учитывается момент инерции композитной арматуры, а именно: Ired=h +I s «.,. +/, «,! +// «/. (4.1)
В формуле (4.1) коэффициент afl, учитывающий приведение композитной арматуры к бетону, определяется из выражения an=E,IEb,red (4.2)
Для оценки расчетной зависимости (8.128) при опрелении ширины раскрытия нормальных трещин для эталонных балок- aSXTCt и этой же зависимости с учетом рекомендаций [50], касающихся формул (8.129) [58], был выполнен поверочный расчет, в котором использовались нормативные сопротивления материалов, полученные на основе опытных характеристик.
Для снижения трудоемкости расчета при определении теоретической ширины раскрытия нормальных трещин для эталонных и усиленных балок на базе Excel была разработана авторская программа, ход расчета которой представлен на блок схеме (рис.4.3). Все необходимые для расчета формулы, параметры и коэффициенты приведены в таблицах внутри блок-схемы.
Сопоставление опытных значений ширины раскрытия нормальных трещин для эталонных балок - арк и усиленных- а с с теоретическими, соответственно по формулам [58]- astc и [58;50]- д, сс по каждому образцу и на каждом этапе исследования представлено на рис. 4.5; 4.6 (поз.2) и табл. 4.3. Рассматривая указанные графики, можно отметить, что теоретическая ширина раскрытия нормальных трещин astc в эталонных балках I этапа исследования (рис 4,5.а) при уровне нагрузки 0,3 и выше, переоценивает фактическую максимальную ширину раскрытия трещин. Совпадение результатов имеет место только на этапе, предшествующем разрушающему.
