CC BY
124
----------------------------------------- © Д.В. Картузов, 2006
УДК 666.97:691 Д.В. Картузов
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
ш в роектирование всех строитель-
II ных конструкций, а также машин, механизмов, любых технических систем связано в первую очередь с обеспечением их надежности [2, 3], определяемой нормативными документами как их способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного срока службы. В настоящее время строительные конструкции рассчитываются по методу предельных состояний, основные положения которого направлены на обеспечение безотказной работы конструкций с учетом изменчивости свойств материалов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик конструкций, условий их работы, а также степени ответственности проектируемых (ремонтируемых) объектов, определяемой материальным и социальным ущербом при нарушении их работоспособности [2].
Однако количество аварийных и катастрофических ситуаций, просто отказов при эксплуатации промышленных и гражданских зданий, инженерных сооружений, мостов и тоннелей, подземных сооружений различного назначения продолжает увеличиваться. Возрастает количество объектов, подлежащих незапланированному, преждевременному ремонту. Такую ситуацию можно объяснить или ошибками при проектировании или идеализацией исходных предпосылок расчета и расчетных схем, часто слабо отражающих действительные условия эксплуатации сооружения.
Поэтому наблюдается устойчиво растущая потребность в разработке методов системного обслуживания каждого конкретного строительного объекта по его фактическому состоянию.
Использование системного подхода необходимо для успешной разработки технологии и выбора материала для ремонта и усиления строительной конструкции. Вне зависимости от выбранных технологии и материала усиления одним из основных требований, предъявляемых к многокомпонентной системе, является ее способность функционировать как одно целое в течение заданного промежутка времени. Этого можно добиться только в случае обеспечения достаточного сцепления между находящимся в эксплуатации бетоном, ремонтным составом и внешней арматурой усиления из композиционного материала.
При расчете параметров ремонта и усиления железобетонных конструкций важную роль играют нормативные и расчетные сопротивления составляющих конструкцию элементов - бетона, стальной арматуры и композиционного материала усиления. И если по поводу бетона и арматуры существуют четкие указания в нормативной литературе, то данные по композиционным материалам хоть немного, но различаются.
Так как композиционные материалы (ламинаты и холсты) являются упругими материалами с высокой прочностью на растяжение и без выраженной пластической зоны, то многие фирмы-
производители в своей документации указывают предельно допустимые и рекомендуемые к применению при проектировании деформации материала.
Например, фирма-производитель 8&Р предлагает при проектировании усиления железобетонных конструкций собственными ламинатами использовать величины деформаций 0,6-0,8 %. При этом используемая в расчетах прочность на растяжение в зависимости от типа ламината составляет 1000-1600 МПа. Учитывая, что внутренняя арматура при расчете по второй группе предельных состояний не должна испытывать пластических деформаций, то на практике деформация ламината не должна превышать деформаций внутренней арматуры. Согласно немецкому стандарту эта величина не должна превышать 0,5 %, евростандарту 1,0 %.
По рекомендациям этой же фирмы деформации холстовых композиционных материалов, используемые при проектировании, не должны превосходить 50 % от предельно допустимых, и зависят от назначения усиления конструкции (на действие поперечной силы, изгибающего момента, охватывающее усиление колонн). Фирмой рекомендуются при усилении железобетонных конструкций холстами на основе углеродных волокон следующие их предельные деформации при проектировании:
• усиление на действие поперечной силы и сдвиг 0,2-0,3 %;
• охватывающее армирование колонн 0,4-0,6 %;
• усиление изгибаемых элементов 0,60,8 %.
При проектировании усиления изгибаемых железобетонных элементов важным параметром является предельная деформация крайне сжатого волокна бетона перед разрушением (см. п. 5.2.1. СНиП 5201-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции»), которая зависит от формы поперечного сечения, относительной величины сжатой зоны, насыщения сечения продольной арматурой и принимает зна-
чения еЬи = 0,0027 - 0,0045. При уменьшении ширины поперечного сечения к низу и в тавровых сечениях еЬи уменьшается, а при уменьшении относительной высоты сжатой зоны - увеличивается.
Использование различных систем внешнего усиления, зависит от многих факторов: типа КМФ и адгезива, способа нанесения материала, условий проведения работ, пожароопасности здания или сооружения, качества выполнения ремонта и применяемых ремонтных составов, подготовки поверхности усиливаемой конструкции, квалификации персонала и многих других факторов. Все это должно учитываться при разработке проекта ремонта и усиления железобетонной конструкции. Обязательным условием успешного выполнения работ является использование апробированных системных материалов.
Наиболее распространенными изгибаемыми элементами железобетонных конструкций являются плиты и балки. Из них образуют многие железобетонные конструкции, чаще других - плоские перекрытия и покрытия. Плиты и балки могут быть однопролетными и многопролетными. Такие плиты деформируются подобно балочным конструкциям при различного типа нагрузках, если значение последних не изменяется в направлении, перпендикулярном пролету. На изгиб также работают различные элементы мостовых конструкций, ригели и многие
конструкции инженерных сооружений.
Усиление железобетонных конструкций при работе на изгиб внешним армированием из композиционных материалов выполняется приклеиванием последних в растянутой зоне конструкции с расположением направления фибры параллельно максимальным растягивающим усилиям (продольно оси конструкции). Согласно общим нормативным положениям расчета изгибаемых железобетонных элементов усиленные композиционным материалом конструкции рассчитываются по прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента; по
Рис. 1. Начальное напряженно-деформированное состояние элемента перед усилением
прочности сечений, наклонных к продольной оси элемента, включая расчеты на действие поперечной силы по наклонной полосе между наклонными трещинами, на действие поперечной силы по наклонной трещине и на действие изгибающего момента по наклонной трещине; по образованию и раскрытию нормальных и наклонных трещин; по определению прогибов и углов поворота.
Исходные данные для анализа начальной ситуации (расчетная схема конструкции, действующие нагрузки, размеры конструкции и степень повреждения бетона и арматуры) определяются в результате проведения диагностического обследования подлежащей усилению железобетонной конструкции. Определение начального максимального изгибающего момента Мо производится также как и для второй группы предельных состояний без учета коэффициентов надежности по нагрузке и по материалу. На этом этапе производится определение распределения деформаций по сечению конструкции исходя из ее работы в упругой стадии.
Если начальный максимальный изгибающий момент М, больше момента тре-щинообразования сечения Мсгс, то расчет
производится как для сечения с трещинами, приведенного на рис. 1. В случае, если Мо<Мсгс его влиянием при дальнейшем расчете усиливаемой конструкции можно пренебречь.
Высота сжатой зоны сечения х0 находится из условия, что статический момент приведенного сечения относительно нейтральной оси равен нулю
Бгеё= Ь-Хо2/2 + а-Л8<Хо - а') -- а-Л8(Ь0 - х0) = 0, (1)
где Ь - ширина сечения прямоугольного элемента, мм; а = Б8/БЬ - отношение модулей упругости арматурной стали и бетона; Л5' - площадь поперечного сечения сжатой арматуры, мм2; Л8 - площадь поперечного сечения растянутой арматуры, мм ; а' - расстояние от оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечения сжатой арматуры, до внешнего сжатого края сечения элемента, мм; Ъо - рабочая (полезная) высота сечения, мм, Ьо = Ь - а; Ь - полная высота сечения, а - расстояние от оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечения растянутой арматуры, до внешнего растянутого края сечения.
Момент инерции приведенного сечения
ь
к
а)
£ь=£Ь=0,0027-0,0045
Я А
—а. Е 8с
С С С
в)
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние усиленного КМФ железобетонного элемента при изгибе. а) поперечное сечение; б) распределение деформаций; в) распределение сил
1геа = Ь-х03/3 + а-ЛБ^ - х0)2 +
+ аЛБ'(х0 - а')2 (2)
Максимальная деформация бетона крайне сжатого волокна еЬ0 определяется из выражения.
^Ь0 = М-0х0/БЬ1геё (3)
Исходя из принципа неразрывности деформаций и их линейного распределения по нормальному сечению, максимальные деформации крайне растянутого волокна бетона составят.
= 8Ь0(Ь-х0)/х0 (4)
Определение начальной деформации крайне растянутого волокна бетона, к которому в дальнейшем будет приклеен композиционный материал усиления, необходимо для дальнейших расчетов фактических деформаций КМФ при внешнем усилении.
По действующим строительным нормам расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов любого профиля по нормальным сечениям, согласно первой группе предельных состояний, выполняется
из предпосылки, что конструкция находится в III стадии напряженного состояния (стадии разрушения).
При этом наиболее вероятными типами разрушения будут разрушение бетона сжатой зоны или растянутой арматуры. Расчетная схема усилий, напряжений и деформаций, действующих в сечении элемента, приведена на рис. 2. При этом композиционный материал, приклеенный к растянутой грани элемента, остается неповрежденным. Арматура в сжатой зоне сечения может достигнуть своего предельного значения сопротивлению сжатия или испытывать напряжения ст8С = Б8-е8", если используется смешанная арматура. Полное использование механических свойств ненапрягаемой арматуры возможно лишь в плитах и редко в балках с малым содержанием арматуры [1].
Положение нейтральной оси усиленной конструкции должно удовлетворять условию х < - Ью, где величина определя-
ется как для неусиленной конструкции. Само положение нейтральной оси определяется исходя из равенства
проекции нормальных сил, действующих в сечении элемента сил, исходя из формулы.
ЯьЬх + Л8Б8е8" = ЛД8 + ЛсЕсес (5)
Исходя из непрерывности деформаций
' х - а 8= = в ------------------------------8 ь
! - X
Б = Б
--£и
Несущая способность сечения конструкции по изгибающему моменту составит.
= ЯЬЬх(И0 - 0,5х) + Е^е,,А^(И0 - а') + +А Е е а (8)
С С С V '
Несущая способность сечения М8 должна быть больше или равна максимальному изгибающему моменту М, действующему в конструкции от всех внешних сил.
Из равенства этих моментов легко определяется необходимая для усиления площадь композиционного материала Ас.
Для того, чтобы приведенные выше соотношения имели смысл и не произошли недопустимые деформации растянутых арматуры и композиционного материала, необходимо соблюдение следующих условий.
деформации в растянутой арматуре следует определять как
к - х Я Б = Б, --------------------------< —
, ОН Г~7
х Е,
(9)
(6)
(7)
деформации в композиционном материале определяются по зависимости
! - X
Б = Б.
БЫа < Бас1
(10)
Деформации растянутой арматуры и композиционного материала не должны превышать предельных расчетных значений.
Если допустить, что предельные состояния наступают сразу во всех четырех составляющих конструкции (бетоне, сжатой и растянутой арматуре и композиционном материале), то в формулы 5 и 8 вместо значений и Ес-єс надо подставлять значения Ябс и Яс соответственно, хотя вероятность наступления такой ситуации ничтожно мала.
Таким образом, при проектировании усиления с применением композиционных материалов требуется в качестве исходных данных учитывать деформационные характеристики материалов усиления для оценки напряженно-деформированного состояния уси-ленных элементов. Данное требование обеспечивает функционирование многокомпонентной системы как единого целого на период дальнейшей эксплуатации.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные Основные положения по расчету. - М.. Изд-во
конструкции. Общий курс. Учеб. для вузов. - М.. стандартов.1988. - 10с.
Стройиздат, 1991. - 767 с.. ил. 3.ГОСТ 27.410-89. Надежность в технике. Ос-
2.ГОСТ 27751-88 (СТ СЭВ 384-87) Надеж- новные понятия. Термины и определения. М..
ность строительных конструкций и оснований. Изд-во стандартов, 1990. - 37с.
— Коротко об авторах
Картузов Д.В. — кандидат технических наук, главный инженер проекта, Московский государственный горный университет.
