Ключевые слова: FRP, усиление, стекловолокно.
Усиление колонн представляет собой инженерную проблему, которая наряду с другими техническими проблемами имеет конкретное решение для каждой из задач. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки, например, это касается области применения: укрепление колонн металлическими углами, усиление колонн из стали, укрепление колонн твердыми стальными элементами, бетонная сталь и т.д. Во всех приведенных методах укрепления железобетонных конструкций отмечается главный недостаток: количество элементов значительно возрастает, а это неизбежно приводит к уменьшению внутренних областей и искажению архитектурного дизайна. По мнению автора, данные методы армирования требуют значительного количества квалифицированной рабочей силы, а также применения тяжелого и дорогостоящего оборудования. Кроме того, элементы металлоконструкций имеют определенную длину, поэтому недостатки могут появляться в фокальных точках. В строительной технологии имеется альтернативный вариант укрепления железобетонных конструкций: использование армированных волокном полимеров (Fiber Reinforced Polymer – FRP). Плюсы этого метода в том, что данный метод лишен недостатков традиционных методов, и при этом обладает рядом преимуществ.
Использование FRP для усиления железобетонных колонн обеспечивает их эффективную поддержку, при этом размер, форма и вес армированного элемента не изменяются. Армированные волокном полимеры FRP являются одним из лучших способов укрепления объектов археологических и исторических конструкций. Высокая коррозионная стойкость делает применение FRP подходящим для морской и прибрежной среды.
Данное волокно производится в виде полотна, скрученного в длинные рулоны. Это помогает избежать формирования соединительных зон. Простота установки создает низкую стоимость и подходит для укрепления уже существующих структур, обеспечивая минимальное негативное воздействие на эти структуры.
Кроме того, FRP —современный материал, создающий качественную альтернативу железу. Одно из основных преимуществ FRP заключается в том, что это легкий, более дешевый материал, чем железо, он значительно проще в установке и более устойчив к коррозии. FRP успешно используется на протяжении последних нескольких лет и положительно зарекомендовал себя. Сейчас проводятся обширные исследования по испытанию FRP при различных нагрузках и для преодоления технических препятствий, связанных с его использованием.
Армированные волокном полимеры являются по сути промышленными волокнами с высокой прочностью, смешанными с полимерами.
Сам полимер не обладает высокой несущей способностью, но он играет важную роль в синтезе волокон, защищает их от воздействия химических веществ и ультрафиолетового излучения, от механических повреждений. Опыт показывает, что армированная конструкция выдерживает внешние нагрузки и придает материалу FRP высокую прочность.
Характеристики материала FRP варьируются в зависимости от типа используемого волокна (углерод — стекло), количества волокна в связующем материале и от многих других факторов.
На протяжении последних десятилетий FRP часто использовались в космических и военных областях благодаря их высокой прочности при относительно малом весе.
Однако, до сих пор армированные волокном полимеры не были доступны в качестве строительного материала из-за высокой стоимости.
Стекловолокно используется в бетоне в трех основных формах, как отдельные нити (рис.1), непрерывный рулон (рис.2) или сетка (рис.3).
Рис. 1
Рис. 2
Рис.3
Существуют различные формы сетей в зависимости от ориентации волокон, как показано на Рис.4.
Рис. 4.
Более широко волокна используются в инженерных гражданских конструкциях, при этом используются материалы, которые сделаны из стекла (GFRP), углерода (CFRP) и полимеров, поддерживаемых арамидными волокнами (AFRP) (см. Рис. 5.)
Рис. 5
Волокно представляет собой гетерогенный материал, поэтому его механические свойства сильно различаются в зависимости от типа волокна, используемого связующего материала, количества волокон и их угла в связующем материале.
В таблице 1 показаны механические свойства некоторых из наиболее распространенных типов волокон по отношению к продольной оси волокон в терминах коэффициента упругости (E-modulus), предельная деформация (Ultimate Strain) и предельная прочность на растяжение (Ultimate Tensile Strength UTS). Все типы волокон демонстрируют гибкое поведение до значения предельного растягивающего напряжения.
Таблица 1
На рис. 6. показана кривая деформации напряжений волокон (Fibers), полимеров (Matrix) и FRP.
Рис. 6
Поведение материалов, используемых для укрепления структурных элементов, является линейным для разрушения и не имеет порога ползучести, как в стали (см. рис. 7).
Рис. 7. Разница между поведением FRP и стали
Преимущества FRP состоят в том, что этот материал устойчив к химической коррозии, высокоустойчив к эрозионному воздействию явлений окружающей среды, обладает высоким коэффициентом прочности / веса. Вес FRP составляет примерно 1/5 веса стального материала, тогда как его прочность в 8–10 раз больше прочности стали. Плюсы использования FRP заключаются также в простоте изготовления и установке, экономии времени и затрат при техническом обслуживании и ремонте. Кроме того, FRP обладает переменным электромагнитным полем, позволяющем использовать их в особенных установках.
Таким образом, основной принцип усиления колонны стекловолокнами состоит в том, чтобы установить материал по всем сторонам колонны, выдерживая направление волокон вертикально на продольной оси колонны, как показано на рис.8.
Рис. 8
Волокна противостоят случайным искажениям, вызванным эффектом Пуассона при нажатии колонны. Боковое давление, создаваемое в слое волокна, создает трехмерное напряжение в бетоне, как показано на рис.9, что приводит к значительному улучшению прочности и пластичности по сравнению с состоянием бетона под осевым давлением.
Рис. 9
Литература:
1. ABAQUS Version 6.12 (2012). “ABAQUS/Standard User’s Manual”. ABAQUS Inc. USA.
2. Irwan R, Rahman A (2002). “FRP STRENGTHENING OF CONCRETE STRUCTURES — DESIGN CONSTRAINTS AND PRACTICAL EFFECTS ON CONSTRUCTION DETAILING” BBR Systems Ltd, Zurich.
3. JIANG.T (2008). “FRP Confined RC Columns: Analysis, Behavior, and Design”. PHD thesis, the Hong Kong polytechnic university.
4. Raval. R, Dave. U (2013). “Behavior of GFRP Wrapped RC Columns of Different Shapes”. Chemical, Civil and Mechanical tracks of the 3rd Nirma University International Conference on Engineering (NUiCONE 2012), India.
