В данной работе рассмотрены основные особенности усиления изгибаемых железобетонных элементов композитными материалами, произведено исследование фрагмента конструктивной системы и смоделировано его возможное усиление в ПК SCAD Office.
Ключевые слова: железобетон, усиление, прочность, испытания, композиты.
In this paper, the main features of the reinforcement of bent reinforced concrete elements with composite materials are considered, a fragment of the structural system is studied and its possible reinforcement is modeled in the SCAD Office PC.
Keywords: concrete, reinforcement, durability, testing, composites.
В последнее время вопросу обеспечения надежности железобетонных строительных конструкций уделяют значительное внимание на всех стадиях их производства, особенно в случае их ремонта и усиления. Похожее ответственное отношение можно проследить как среди российских, так и у зарубежных исследователей. Связано это с растущей необходимостью обеспечения надежной эксплуатации такого рода конструкций, демонтаж и замена которых значительно дороже ремонта или невозможна вообще. Повреждения железобетонных конструкций, чаще всего, связаны с коррозией, возникающей под воздействием агрессивных сред, неправильной эксплуатацией, перегрузкой отдельных элементов, ошибками производства работ и проектирования.
Сегодня усиление строительных конструкций композитными материалами, является наиболее приемлемым методом восстановления и повышения эксплуатационных характеристик несущих элементов.
Исторически опыт использования технологий внешнего армирования композитами в нашей стране тесно связан с усилением железобетонных конструкций мостов. Впервые в России элементами из углеродного волокна были практически одновременно усилены эстакада (входит в состав третьего транспортного кольца Москвы), и железнодорожный мост в г. Домодедово Московской области [1].
Важным свойством композиционных материалов, имеющим существенное значение при выборе системы усиления железобетонной конструкции, является их упругое деформирование, вплоть до разрушения: ввиду того, что они не обладают требуемыми пластическими свойствами, такое усиление является относительно хрупким. В силу этого фактора при разработке усиления железобетонных элементов композиционными материалами необходимо устанавливать порог ограничений на величину упругих деформаций для бетона и стали, которые будут воспринимать нагрузку совместно с композиционным усилением. Также важно понимать, что упругий характер деформирования композиционного усиления не способствует перераспределению напряжений в усиливаемой конструкции [2, с. 84].
Использование в качестве усиления композиционных материалов имеет множество преимуществ в сравнении с традиционными методами усиления, среди которых высокая прочность на растяжение, коррозионная стойкость, простота применения, высокая усталостная прочность, отсутствие размерных ограничений.
Различают использование лент и холстов в качестве внешнего армирования, подбор которых зависит от типа, назначения и степени нагружения рассматриваемой конструкции. Одним из наиболее распространенных решений при усилении с применением углеродного волокна является расположение контура внешнего армирования со стороны наиболее растянутого волокна в пролетной зоне изгибаемых конструкций. В зонах действия пролетных моментов теоретически могут устанавливаться как ленты, так и холсты, но в последнее время, предпочтение все чаще отдают использованию холстов. Связано это с удобством и простотой монтажа, высокими механическими характеристиками и надежностью анкеровки.
Также усиление композитными материалами находит применение при работе с приопорными участками в зоне действия поперечных сил. Здесь преимущественно углехолсты располагают вдоль линии главных растягивающих напряжений в качестве усиления. В соответствии с расчетом, их можно наклеивать в несколько слоев и формировать любые сечения.
Внешнее армирование композитными материалами железобетонных элементов типа колонн, простенков, пилонов производится двумя способами. Первым способом является наиболее эффективное усиление «коротких» элементов (соотношение высоты к габариту поперечного сечения не более 10) необходимо устройство бандажей из углехолста, которые в своем объеме создают «эффект обоймы» по аналогии с косвенным армированием. Вторым способом является установка углехолста вдоль сжатого элемента, которая будет выполнять роль дополнительной рабочей арматуры.
В данной статье предложен краткий метод расчета усиления железобетонных плит углеродными композиционными материалами на основе конечно-элементной модели в ПК SCAD Office с применением идеи преднапряжения конструкции, реализуемой через режим «Монтаж».
В некоторых случаях для изгибаемых железобетонных конструкций возможно использование предварительно напряженных композиционных материалов. Применение предварительно напряженных полос композиционного материала как преимущества, так и недостатки в сравнении с ненапрягаемыми. Из достоинств можно отметить увеличение допустимой нагрузки на железобетонную конструкцию, требуется меньшая площадь сечения материала усиления, замедляется процесс трещинообразования, увеличивается момент сопротивления усиливаемой конструкции.
К недостаткам относятся увеличение общей продолжительности работ, увеличение стоимости и трудоемкости из-за усложнения технологии работ, необходимо применение дополнительного оборудования.
Режим «Монтаж» предназначен для моделирования поведения конструкции в процессе возведения. Процесс возведения объекта и, соответственно, расчет состоит из нескольких этапов. Расчет каждого последующего этапа выполняется с учетом полученных результатов напряженно-деформированного состояния из расчета на предыдущих стадиях. При переходе от одного этапа к другому в программе предусмотрена возможность включения и исключения из модели элементов конструкции, изменение модуля упругости материала, учет различного типа статических и динамических нагрузок, условий опирания и примыкания. По результатам расчета могут быть получены комбинации загружений, расчетные сочетания усилий, выполнен подбор арматуры в элементах железобетонных конструкций.
Основные расчетные положения:
— система усиления спроектирована на восприятие растягивающих усилий с учетом совместной деформации внешней арматуры и бетона конструкции;
— при проектировании усиления железобетонных конструкций композитной тканью использовался метод расчета по предельным состояниям;
— учитывается, что несущая способность конструкции достаточна для восприятия постоянной и ограниченной временной нагрузки в случае повреждения системы усиления по каким-либо причинам.
— в предельном состоянии изгибаемого элемента усилия в растянутой зоне воспринимаются стержневой арматурой и внешней композитной арматурой, а в сжатой — воспринимаются бетоном и сжатой стержневой арматурой
Рис. 1. Общий вид расчетной схемы в ПК SCAD Office
Рис. 2. Схема усиления пролета плиты углепластиком SikaWrap 530(C)
В качестве объекта исследования выбран фрагмент каркасной конструктивной схемы здания в пределах одного пролета в двух направлениях (Рисунок 1, 2): безбалочная монолитная железобетонная плита перекрытия толщиной 300 мм, монолитные железобетонные колонны сечением 400х400 мм, шаг колонн 7,5 на 7,5 м.
Принятый пролет 7,5 м обусловлен более наглядными результатами исследования: большими деформациями вследствие увеличения нагрузки, очевидным вовлечением в работу элементов системы усиления, получением характерных зависимостей напряженно-деформированного состояния.
Принципиальная схема усиления плиты такова: наклейка на нижнюю поверхность накладок композитной арматуры (углепластика) с направлением волокон вдоль оси конструкции и поверх них поперечных накладок с направлением волокон перпендикулярно продольным накладкам. Включение в работу внешнего армирования из углепластика в эксплуатационном состоянии происходит за счет применения системы предварительного напряжения. Эта система позволяет прогнуть плиту вверх (напрячь), затем приклеить внешнюю арматуру, которая впоследствии воспримет на себя растягивающие усилие и обеспечит несущую способность усиливаемой плиты. Каждый этап усиления конструкции моделируется в режиме «Монтаж». Система усиления из композитных материалов представляет собой ткани из углеродных волокон Sika Wrap530C(VP) (толщина — 0,293мм, ширина — 300мм, вес — 530 г/м 2; модуль упругости — 231000 Н/мм 2; прочность на растяжение — 3800 Н/мм 2; деформация при разрыве — 1,64 %; плотность — 1,8г/см 3) и эпоксидный клей Sikadur-330 (прочность на сжатие — 65 Н/мм 2; прочность на срез — 6 Н/мм 2; адгезия к бетону 4 Н/мм 2; деформация при разрыве — 1,64 %; модуль Юнга — 3800 Н/мм 2) [3, 4].
С учетом свойств отдельных компонентов усиления пролетной части плиты в программе задаются свойства не отдельно ткани и клея, а свойства ткани, пропитанной клеем, при толщине слоя 1 мм согласно данным производителя: модуль упругости — 63000 Н/мм 2. Сетка из углепластиковых пластин была принята с шагом 1200 мм в двух направлениях, т. к. примером послужила плита, работающая в двух направлениях.
В свою очередь, модуль упругости бетона был снижен в 3,5 раза в соответствии с рекомендациями СП 52–101–2003 (учет ползучести бетона при длительном действии нагрузки) и составил для бетона класса В25 8571 МПа [5].
Набор конечных элементов, моделирующих расчетную схему в SCAD Office (рис. 3–5):
— объемный конечный элемент — 3-й тип КЭ — несущие железобетонные колонны и перекрытие;
— оболочечный конечный элемент — 44-й тип КЭ — внешние холсты из углепластика;
— специальный конечный элемент — 55-й тип КЭ, моделирующий упругую связь между узлами и учитывающий податливость материала между смежными узлами;
— пространственный стержень — 5-й тип КЭ, моделирующий арматурные стержни.
Рис. 3. Фрагмент плиты с углепластиком: схема в МКЭ
Рис. 4. Фрагмент конечно-элементной расчетной схемы
Рис. 5. Упругая связь в МКЭ, моделирующая сцепление между бетоном и углепластиком
Были рассчитаны две модели: железобетонной плиты без усиления и с системой усиления из композиционных материалов. В результате было получено уменьшение вертикальных деформаций и растягивающих напряжений в бетоне во второй модели до уровня, соответствующего требованиям нормативных документов. Уже на последнем этапе «Монтажа», когда в работу схемы включился углепластик и нагрузка была приложена только лишь от собственного веса конструкции, значение вертикальных деформаций уменьшилось примерно на 1,1 %, а растягивающих напряжений — на 1,5 % по сравнению с начальным напряженно-деформируемым состоянием плиты до монтажа системы усиления из углепластика (рис. 6, 7).
Разрабатываемый расчетный метод усиливаемых железобетонных конструкций (плит) позволяет получать более точную картину напряженно-деформированного состояния конструкции до усиления и после усиления, в отличие от традиционного ручного расчета. По результатам расчета возможен подбор более адекватной схемы усиления — за счет изменения геометрии или жесткостных характеристик углепластика.
Показано, что применение методики расчета позволяет повысить качество проектирования усиления железобетонных плит, сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний.
Рис. 6. Вертикальные деформации от собственного веса плиты без системы усиления
Рис. 7. Вертикальные деформации от собственного веса плиты с системой усиления из углепластика (фрагмент центральной пролетной части)
Литература:
- Строительная компания «Практик» // http://www.usilenie.ru.
- Шилин А. А., Пшеничный В. А., Картузов Д. В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. М., 2007.
- Технологическая карта ID № 02 04 01 02 001 0 000ххх SikaWrap®-530C (VP) // www.sika.ru.
- Технологическое описание материала ID № 02 04 01 04 001 0 000004 Sikadur-330 // www.sika.ru.
- СП 52–101–2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры».
