Способы анкеровки внешнего армирования при усилении железобетонных конструкций

Фиброармированные полимеры (ФАП) в современном мире набирают большую популярность для реконструкции зданий и сооружений, однако они требуют особых систем анкеровки. В данной статье приведена классификация систем анкеровки ФАП по функциям, которые они выполняют, и приведены наиболее эффективные системы анкеровки, предложенные учеными и научными центрами.

Ключевые слова: фиброармированный полимер (ФАП), анкер, системы анкеровки, усиление, реконструкция, композитные материалы.

Для усиления строительных конструкций в современное время используют все чаще композитные материалы, так как традиционные методы усиления не всегда удовлетворяют требованиям реконструкции. Например, при методе усиления металлическими или железобетонными обоймами увеличивается поперечное сечение конструкций, изменяется их форма и различные теплотехнические характеристики, а при введении дополнительного слоя армирования толщина набетонки может увеличивать высоту сечение конструкций не менее чем на 4 см [1].

Несмотря на высокую прочность композитных материалов, а именно фиброармированных полимеров (ФАП), существует несколько проблем, препятствующих росту их использования. Например, потенциальное хрупкое разрушение усиливаемых железобетонных конструкций, отслаивание ФАП, ухудшение механических свойств ФАП из-за суровых условий окружающей среды и др. Данная статья посвящена иной проблеме использования ФАП — потребность в наиболее эффективных системах анкеровки.

Поскольку СП 164.1325800.2014 устанавливает только общие требования к системам анкеровки композитных материалов, усиливающих строительную конструкцию, то учеными и научными центрами предлагаются различные методы анкеровки композитных материалов. В соответствии с нормативным документом «для систем анкеровки композитных материалов допускается устройство дополнительных механических креплений, заведение материалов в пазы бетона и устройство химических анкеров» [2].

В общем понимании основная задача систем анкеровки ФАП — обеспечить равнопрочность всех сечений усиленной конструкции. Система анкеровки должна предотвращать или замедлять процесс отслаивания ФАП от усиливаемой конструкции, вызываемый низкой прочностью бетона на растяжение.

Характеристики систем анкеровки в большинстве случаев являются критическими. Наиболее эффективным методом разрушения является разрыв ФАП вне анкерной зоны. Однако данный разрыв довольно затруднителен из-за различных видов отказа при отслаивании ФАП, показанных на рисунке 1. Режимы отказа в соответствии с [3]:

a) Отрыв защитного слоя бетона;

b) Межфазное отслоение, вызванное промежуточной изгибной трещиной;

c) Межфазное отслоение конца ФАП;

e) Отсоединение ФАП при усилении на сдвиг.

Рис. 1. Режимы отказов ФАП при отслоении [3]

Например, межфазное отслоение конца ФАП и отрыв защитного слоя происходят по одной и той же причине: высокий межфазный сдвиг и высокие нормальные напряжения вблизи конца ФАП.

Увеличение длины склеивания ФАП и усиливаемой конструкции способствует уменьшению касательных напряжений при межфазном сдвиге и нормальных напряжений, но существует предельная длина склеивания, называемая эффективной длиной склеивания. Исследования показали, что при увеличении длины сверх эффективной длины склеивания, предельная нагрузка не увеличивается [3]. Соответственно, для повышения эффективности и прочности железобетонной конструкции требуется другие методы — такие, как система анкеровки ФАП.

Системы анкеровки ФАП выполняют одно или несколько выдвигаемых им требований [4]:

a) Предотвращение и замедление раскрытия трещин;

b) Увеличение несущей способности на границе раздела фаз;

c) Обеспечение механизма передачи напряжений.

Одна из распространенных систем анкеровки данного типа — это углеродный анкерный жгут под 90°. Данный тип распространен среди российских производителей, например таких, как CarbonWrap. Он представляет собой пучки связанных волокон, один конец которых заделан в матрицу ФАП элемента, а другой заделан в усиливаемую конструкцию. Достоинства данного анкера — он изготавливается из тех же материалов, что и ФАП, соответственно, отсутствует опасность коррозии. Данный тип анкеровки может быть использован, как вдоль всего сечения, так и на концах ФАП.

Другой вариант системы анкеровки — «поперечный анкер» (в ориг. «Transverse wrapping»), исследованная ученными Grace [6], Spadea [7] и др. Данный вариант анкеровки представляет собой обертывание ФАП поперек другим листом ФАП, обеспечивая эффект зажима. Важная особенность данного крепления — анкер не будет эффективным, если в нем не будут достигнуты определенные растягивающие напряжения.

Анкеровка второго типа (Тип II), классифицируемые ученой S. V. Grelle, используют для достижения требуемой несущей способности ФАП. Основное отличие данного типа от типа I заключается в отсутствии механизма сопротивления растягивающим нормальным напряжениям, вызывающим отрыв защитного слоя бетона и отслоения ФАП на концах. В данном типе анкеровки напряжения в ФАП передаются через напряжения сдвига на систему анкеровки, которая уже распределяет нагрузку на усиливаемую конструкцию. [4]

Одна из систем анкеровки данного типа — анкерный жгут 180°. Данный анкер устанавливается на концах в плоскости с закрепляемым ФАП, чтобы волокна в анкере могли передавать растягивающее усилие от закрепленного ФАП к анкеру. Данный анкер так же используется в системах анкеровки типа III. На рисунке ниже приведено сравнение крепления анкерных жгутов 90° и 180°.

Другой системой анкеровки данного типа является U-анкер (в ориг. «U-Anchor»), исследованный ученными Khalifa [8], Micelli [9] и др. Данный анкер так же применим системе анкеровки типа III [10]. Данный анкер создают путем предварительного создания паза в бетоне. Концы ФАП вдавливают в пазы, заполняя пазы эпоксидным клеем. Данная система увеличивает сцепление ФАП с бетоном за счет увеличения площади скрепления.

Рис. 2. Сравнение крепления анкерных жгутов 90° и 180° [5]

Другой системой анкеровки типа II, также применимый для анкера типа I, является система с анкерной плитой [11]. Данный анкер использует металлические или ФАП пластины, к которым приклеивается ФАП, а плиты крепятся либо болтами, либо приклеиваются к бетонному основанию. Испытания данного анкера показали, что данный анкер обладает улучшенными характеристиками по сравнению с U-анкером и ФАП без анкеровки [12]. Основной минус данного анкера — возможна коррозия, связанная с использованием разных материалов.

Анкеровка третьего типа (Тип III), классифицируемые ученой S. V. Grelle, используется в местах максимальных напряжений ФАП, когда точка анкеровки находится на краю ФАП или вблизи изменения направления волокон. Данный тип анкеровки выполняет роль передачи напряжений в точке максимального напряжения на усиливаемую конструкцию без передачи нагрузки по длине склеивания ФАП и усиливаемой конструкции. Таким образом, анкера типа III не получают преимущества от длины склеивания, как это делают анкера типа I и типа II. Обычно системы анкеровки III типа используются при усилении изогнутой стены, работающей на сдвиг, или при усилении изгибаемых консольных балок. Главная особенность систем анкеровки III типа — до включения в работу системы анкеровки система усиления ФАП не имеет прочности. [4]

Рис. 3. Сравнение U-анкера при типах анкеровки II и III [4]

Заключение

Выбор системы крепления ФАП зависит от конкретных требований, выдвигаемых к системе усиления ФАП. Для системы анкеровки типа I самым распространенным является крепление анкерными жгутами. Данный тип системы крепления уже существует на российском рынке. Несмотря на разработки ученых, нет единых решений для типов анкеровки II и III. Кроме того, системы крепления типа III мало используют, так как присутствует небольшой объем данных испытаний, особенно для больших масштабов производства. Хотя исследования проводятся, лишь немногие исследования дают рекомендации по проектированию ФАП и систем крепления ФАП.

Так же можно заметить, что механический анкера показывают наиболее эффективную работу. А использование ФАП в системах крепления приводит к отсутствию коррозии.

Отдельно можно заметить, что объем данных испытаний систем для крепления ФАП-ламинатов минимальный и требует дополнительных исследований.

Литература:

1. Костенко А. Н. Прочность и деформативность центрально и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Москва, 2010г — 26с.
2. СП 164. 1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования».
3. Teng, J. G., Chen, J. F., Smith, S. T., & Lam, L. (2002). FRP strengthened RC structures. West Sussex: Wiley.
4. Grelle, S. (2011). Categorization and experimental evaluation of anchorage systems for FRP laminates bonded to reinforced concrete structures. Master’s Thesis, Missouri University of Science and Technology, Rolla, MI, 159 pp.
5. S. V. Grelle, L. H. Sneed (2013) Review of Anchorage Systems for Externally Bonded FRP Laminates. International Journal of Concrete Structures and Materials Vol.7, No.1, pp.17–33.
6. Grace, N. F., Sayed, G. A., Soliman, A. K., & Saleh, K. R. (2000). Strengthening reinforced concrete beams using fiber reinforced polymer (FRP) laminates. ACI Structural Journal, ACI, 96(5), 865–875.
7. Spadea, G., Swamy, R. N., & Bencardino, F. (2001). Strength and ductility of RC beams repaired with bonded CFRP laminates. Journal of Bridge Engineering, ASCE, 6(5), 349–355.
8. Khalifa, A., Alkhrdaji, T., Nanni, A., & Lansburg, S. (1999). Anchorage of surface mounted FRP reinforcement. Concrete International: Design and Construction, 21(10), 49–54.
9. Micelli, F., Annaiah, R. H., & Nanni, A. (2002). Strengthening of short shear span reinforced concrete T joists with fiberreinforced plastic composites. Journal of Composites for Construction, ASCE, 6(4), 264–271.
10. Beigay, M., Young, D. T., & Gergely, J. An improved composite anchoring system. UNC, Civil Engineering Nov 2010
11. Ortega, C. (2009). Anchorage and bond characteristics of externally bonded FRP laminates used for shear strengthening of RC and PC girders. MS Thesis, Missouri University of Science and Technology, Rolla, MI, 232 pp.
12. Ceroni, F., Pecce, M., Matthys, S., & Taerwe, L. (2008). Debonding strength and anchorage devices for reinforced concrete elements strengthened with FRP sheets. Composites: Part B, 39, 429–441.