Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет ..., печатный экземпляр отправим ...
Опубликовать статью

Молодой учёный

Использование стекловолокна как современный метод укрепления железобетонных колонн

Технические науки
06.03.2019
913
Поделиться
Библиографическое описание
Мансур, Хасан. Использование стекловолокна как современный метод укрепления железобетонных колонн / Хасан Мансур. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 10 (248). — С. 7-12. — URL: https://moluch.ru/archive/248/57022/.


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.

Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
FRP
усиление
стекловолокна
Молодой учёный №10 (248) март 2019 г.
Скачать часть журнала с этой статьей(стр. 7-12):
Часть 1 (стр. 1-73)
Расположение в файле:
стр. 1стр. 7-12стр. 73

Молодой учёный