CC BY
9
К определению прочности бетона, обжатого композитными
материалами, расположенными в поперечном направлении
12 1 С.В. Георгиев , З.А. Меретуков , А. И. Соловьева
1 Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону.
2Майкопский государственный технологический университет, г. Майкоп
Аннотация: В последние десятилетия композитные материалы широко используются в области усиления и изготовления железобетонных конструкций. Однако, объем экспериментальных и научно-исследовательских работ в России недостаточно большой, для того, чтобы можно было определить все возможности и реальную эффективность композитных материалов в данной области. В данной работе приведены предложения по совершенствованию методики расчета прочности железобетонных гибких внецентренно сжатых стоек, усиленных композитными материалами в поперечном направлении. Разработанные предложения базируется на результатах экспериментальных исследований. Предложения разработаны в области определения добавочной прочности бетона на сжатие от действия композитных материалов, расположенных в поперечном направлении. В работе расписаны недостатки нормативный методики расчёта и разработан коэффициент, скорректированный в формулу определения сопротивления усиленного композитными материалами бетона Rb3.
Ключевые слова: бетон, железобетон, композитный материал, углепластик, внешнее армирование, деформации, сжатые элементы.
Данная работа является продолжением научных исследований [1,2], посвященных совершенствованию нормативной методики расчета на прочность по недеформированной схеме сжатых элементов, усиленных композитными материалами в поперечном направлении, на основе полученных экспериментальных данных, результаты которых освещены в работах [3-5].
Как показывает опыт, согласно результатам обследования и оценки технического состояния строительных конструкций [6,7], часто причиной усиления являются нарушение требований норм, технологии выполнения работ, физические повреждения и др. В зависимости от причины необходимости усиления, и от характеристик самой конструкции выбираются метод и материал усиления. Часто выбранный метод не устраивает заказчика по эстетическим и технологическим причинам, или экономически нецелесообразен. Также существуют случаи, когда усиление конструкций вообще невозможно традиционными методами.
Развитие новых методов усиления с применением композитных материалов имеет большие перспективы и экономические преимущества, а порой и является единственным решением по восстановлению или усилению конструкций [8].
В связи с этим, последние 10 лет кафедра железобетонных и каменных конструкций (ДГТУ) изучает свойства композитных материалов в области усиления железобетонных конструкций.
Столь обширные исследования позволяют охватить весь спектр железобетонных конструкций, а полученные знания позволят использовать новые возможности и варианты наиболее эффективных методов усиления.
Новые методы усиления, на основе использования композитных материалов, имеют большие перспективы [9], и дают возможность усиливать конструкции с меньшими затратами [10-12], исключают ряд проблем традиционного усиления и расширяют возможности по усилению железобетонных конструкций [13-15].
Большинство экспериментальных исследований, посвященных усилению сжатых железобетонных элементов композитными материалами, было выполнено за рубежом, в таких странах, как США, Япония и Италия [16,17].
Вышедший в России в 2014 году Свод Правил 164.1325800.2014 по усилению железобетонных конструкций композитными материалами, позволил на законодательном уровне проектировать усиление конструкций, используя высокопрочный углепластик. Однако анализ расчётных положений нормативной методики расчета в России показал, что положительные свойства и высокая эффективность новых материалов усиления в области сжатых элементов [18] не могут быть в полной мере использованы в практике. Это связано с ограничениями, которые накладывает СП 164.1325800.2014 по усилению железобетонных
конструкций композитными материалами. Экспериментально было доказана [19,20] высокая эффективность использования композитных материалов в области усиления сжатых элементов, выходящих за рамки рекомендуемых Сводом правил. Было установлено увеличение прочности и жесткости усиленных образцов, однако, согласно результатам теоретического расчета, увеличение прочности и жесткости сильно занижалось. Данный фактор значительно снижает перспективы использования новых материалов усиления, сужая круг использования композитных материалов [21-23].
В раннее выполненных работах [1,2] авторами представлены предложения по совершенствованию методики расчета сжатых элементов по прочности, а именно: предложения к определению относительной деформации усиленного бетона ^ьз и предложения к определению условной критической силы Ксг. Эти предложения базируются на анализе результатов экспериментальных исследований и существенно сближают значения теоретических и экспериментальных прочностей образцов. Однако, для ряда опытных стоек, все же наблюдается занижение теоретической прочности по сравнению с экспериментальной, наибольший интерес из которых представляет самый мощный вариант усиления - композитная обойма (АКУ-Х5 и БКУ-Х5), при этом наблюдается существенное занижение теоретической прочности (ст. 8, Табл. 1) по сравнению с экспериментальной.
Анализ положений нормативной методики расчета по прочности сжатых железобетонных элементов (СП 164.1325800.2014), усиленных композитными материалами, показал, что свод правил вводит ряд ограничений к характеристикам конструкций. Одно из них связано с ограничениями значения соотношения габаритных размеров поперечного сечения усиливаемого элемента, которое не должно превышать 1,5. Данное ограничение нашло отражение в расчетных формулах, при вычислении коэффициента к^ (1), который, в свою очередь, существенно занижает
и
увеличение сопротивления на сжатие, обжатого композитными материалами, бетона Rb3 (2) от действия поперечного усиления, следовательно занижается и прочность стоек.
Выполнив математический расчет, для стоек с соотношением поперечного сечения ЫЬ=25/12,5=2 радиусом скругления г=2,2см, получили ^0,216, что практически в пять раз занижает добавочную прочность бетона от действия композитного усиления. В свою очередь, результаты экспериментальных исследований [5] показали существенное увеличение прочности конструкций, которая дает возможность утверждать, что и увеличение прочности бетона на сжатие существенно больше, чем описано в нормативном расчете.
На основании вышесказанного, предлагается ввести повышающий коэффициент в нормативную формулу определения сопротивления бетона Rb3 в условиях объемного напряженного состояния (2).
Используя данные экспериментальной прочности опытных образцов, путем математических расчётов, были определены экспериментальные значения сопротивления усиленного бетона и выведена, зависящая от эксцентриситета приложения нагрузки и нормативного коэффициента ke (3), формула определения коэффициента ^ (4). Для упрощения инженерных расчетов была разработана таблица численных значений коэффициента ^ (Табл. 1).
кг = 1 -
(Ь - 2 • г )2 + (к - 2 • г )2 2 • Ь • к
1Ь ' ■ Я/ • И/
(1) (2)
к =
V1 2■(]к2 + Ь2 - 2 ■ г),
(3)
2
и
Коэффициент к/з предлагается ввести в формулу (1), и тогда она будет иметь следующий вид:
Ям = +к/3 ■ ке/ ■ ке ■ Я/'/^/ (5)
Таблица 1
Значения коэффициента к.
ке е0/ к
0,01 0,1 0,2 0,3
0,5 0,98 3,06 2,66 2,39
0,6 1,14 2,97 2,36 2,17
0,7 1,32 2,88 2,09 1,97
0,8 1,53 2,80 1,85 1,78
0,9 1,77 2,72 1,64 1,62
1 2,05 2,64 1,46 1,46
В Табл. 2 представлены результаты расчётов, согласно методике, предложенной сводом правил (СП164.1325800.2014). В столбцах 6 и 7 приведены результаты прочности нормативного расчёта из сравнения значений с экспериментальной прочностью, в столбцах 8-9 приведены результаты расчётов, согласно разработанных предложений по совершенствованию нормативный методики, связанное с коррекцией формулы определения 8ь3и жесткости конструкции Б [1, 2].
В столбцах 10, 11 приведены значения коэффициентов рассчитанных для указанных стоек и прочность опытных образцов, рассчитанных с учетом предложений, разработанных в [1, 2] и с учётом коэффициентов кп. В столбце 12 приведены результаты сравнения экспериментальных значений прочности с соответствующими теоретическими.
Из результатов расчетов видно, что сумма среднеквадратических отклонений с учетом предложений к определению Яьз по сравнению с
результатами нормативного расчета и расчета с учетом предложений авторов
M Инженерный вестник Дона, №10 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2021/7225
к определению относительной деформации усиленного бетона ем и жесткости D, уменьшилась с 0,124 и 0,1 до 0.0004 соответственно.
Таблица 2
Сравнение экспериментальных и теоретических значений прочности стоек
нормативного расчета и с учетом предложений авторов
Парамет ры Результаты эксперимента Нормативный расчет Расчет с учетом предложений Расчет с учетом kf3
Шифр образца расчета [1,2]
nexp Rb,n , Nexp, jytheor j^theor j^theor theor j^theor theor
Xh e0 ^/3 Nexp
МПа кН кН Nexp кН Nexp кН
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
АКУ-Х1 10 0,2 282,3 1190.0 1188,0 0,97 1156 0,97 1,41 1199 1,01
АКУ-Х6 10 0,2 363,7 1600.0 1191,0 0,90 1462 0,91 1,97 1613 1,01
АКУ-Х5 10 0,2 283,0 1625.0 1298,0 0,77 1275 0,78 2,76 1645 1,01
БКУ-Х1 10 2,2 282,3 778.9 667,0 0,85 676 0,87 2,77 774 0,99
БКУ-Х2 10 2,2 284,5 794.7 686,0 0,86 699 0,88 2,37 797 1,00
бку-х5 10 2,2 302,9 844.0 754,0 0,89 777 0,92 1,6 844 1,00
ВКУ-Х1 10 4,2 309,9 482.5 442,0 0,92 450 0,93 2,22 485 1,01
1> = ОД 24 = од = 0,0004
Примечание: 1. Описание шифров опытных образцов в ст.1 приведены в [5].
Литература
1. Георгиев С.В., Меретуков З.А., Кремененко А.Г. К определению относительной деформации усиленного бетона eb3 сжатых железобетонных гибких стоек, усиленных композитными материалами, расположенными в поперечном направлении // Инженерный вестник Дона, 2020, № 10. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6649
2. Георгиев С.В., Меретуков З.А., Соловьева А. И. К определению условной критической силы гибких железобетонных стоек, усиленных композитными материалами // Инженерный вестник Дона, 2014, № 4-21. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2021/6927
3. Польской П.П., Маилян Д.Р., Георгиев С.В. Прочность и деформативность коротких усиленных стоек при малых эксцентриситетах // Инженерный вестник Дона, 2014, № 4-1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2734
4. Польской П.П., Маилян Д.Р., Георгиев С.В. Прочность и деформативность гибких усиленных стоек при больших эксцентриситетах // Научное обозрение, 2014, № 12-2. С. 496-499.
5. Polskoy P., Mailyan D., Georgiev S., Muradyan V. The strength of compressed structures with cfrp materials reinforcement when exceeding the cross-section size // E3S Web of Conferences, 2018. p. 02060
6. Литвинов И.М. Инструкция по усилению и восстановлению железобетонных конструкций методом И. М. Литвинова // Харьков: Харьк. обл. полигр. ф-ка, 1948, 39 с.
7. Теряник В.В., Бирюков А.Ю. Результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности сжатых усиленных элементов реконструируемых зданий // Вестник ЮУрГУ. Серия: Строительство и архитектура. 2009. №35 (168). URL:clck.ru/QgtxD
8. Chikh N., Gahmous M., Benzaid R. Structural Performance of High Strength Concrete Columns Confined with CFRP Sheets // Proceedings of the World Congress on Engineering 2012 Vol III. WCE 2012, July 4 - 6, 2012, London, U.K.
9. Устинов Б.В., Устинов В.П. Исследование физико-механических характеристик композитных материалов (КПМ) // Известия вузов. Строительство, 2009, № 11-12, С.118-125.
10. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами // М: Стройиздат. 2004. 144с.
11. Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций // Бетон и железобетон. 2001. №6 С. 17-20.
12. Чернявский, В.А., Аксельрод Е.З. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами // Жилищное строительство. 2003. № 3. С. 15-16.
13. Пинаджян, В.В. К вопросу усиления железобетонных конструкций // Строительная промышленность. - 1948. - № 3. - С. 14-17.
14. Мухамедиев Т.А. Проектирование усиления железобетонных конструкций композиционными материалами // Бетон и железобетон. № 3, с.6-8.
15. Belyaev Alexey, Nesvetaev Grigory, Mailyan Dmitry. Calculation of three-layer bent reinforced concrete elements considering fully transformed concrete deformation diagrams // MATEC Web of Conferences 106, 04022 (2017) URL:10.1051/matecconf/20171060 SPbW0SCE-2016 4022
16. Chajes M.J., Finch W.W., Januszka T.F. Bond and Force transfer of composite material plates bonded to concrete // ACI Structural Journal. - 1999. -V. 93, № 2. - pp. 295-303.
17. Shehata I.A.E.M., Carneiro L.A.V. and Shehata L.C.D. Strength of Short Concrete Columns Confined with CFRP Sheets. Materials and Structures, Vol. 35, January-February 2002, pp. 50 - 58.
18. Костенко А.Н. Прочность и деформативность центрально и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле и стекловолокном Автореферат. дисс. канд. техн. наук // Москва. 2010. 26с.
19. Польской П.П., Георгиев С.В. Влияние различных вариантов внешнего композитного армирования на жесткость гибких сжатых элементов // Инженерный вестник Дона. 2017. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4826
20. Польской П.П., Маилян Д.Р., Георгиев С.В. Прочность и деформативность гибких усиленных стоек при больших эксцентриситетах // Научное обозрение. 2014. № 12-2. С. 496-499.
21. Мальганов А.И., Плевков В.С., Полищук А.И. Восстановление и усиление строительных конструкций аварийных и реконструируемых зданий // Томск, Атлас схем и чертежей, 1990. 316с.
22. Шилин А.А. Пшеничный В.А., Картузов Д.М. Внешнее армирование железобетонных конструкций композитными материалами // ОАО «Издательство Стройиздат», 2007. 184с.
23. Доломанюк Р.Ю. Оценка состояния железобетонных конструкций для регрессивной зависимости коррозийных повреждений стальной арматуры от толщины защитного слоя бетона в условиях открытой атмосферы // В сборнике: Образование. Транспорт. Инновации. Строительство. Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции. 2020. С. 524-528.
References
1. Georgiev S.V., Meretukov Z.A., Kremenenko A.G. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, № 10. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6649
2. Georgiev S.V., Meretukov Z.A., Solov'eva A. I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2014, № 4-21. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y202l/6927
3. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R., Georgiev S.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2014, № 4-1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y20l4/2734.
4. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie, 2014, № 122. pp. 496-499.
5. Polskoy P., Mailyan D., Georgiev S., Muradyan V. E3S Web of Conferences, 2018. С. 02060
6. Litvinov I.M. Instrukcija po usileniju i vosstanovleniju zhelezobetonnyh konstrukcij metodom I. M. Litvinova [Instructions for the strengthening and
M Инженерный вестник Дона, №10 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2021/7225
restoration of reinforced concrete structures by the method of I. M. Litvinov] Har'kov: Har'k. obl. poligr. f-ka, 1948, 39 P. 7. Terjanik V.V. Vestnik JuUrGU. Serija: Stroitel'stvo i arhitektura. 2009. №35 (168). URL:clck.ru/QgtxD
8. Chikh N., Gahmous M., Benzaid R. Proceedings of the World Congress on Engineering 2012 Vol III. WCE 2012, July 4 - 6, 2012, London, U.K.
9. Ustinov B.V., Ustinov V.P. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo. 2009. № 11-12. PP.118-125. 2009, № 11-12, pp.118-125.
10. Shilin A.A., Pshenichnyj V.A., Kartuzov D.V. M: Strojizdat. 2004. 144p.
11. Hajutin Ju.G., Chernjavskij V.L., Aksel'rod E.Z. Beton i zhelezobeton. 2001. №6 pp. 17-20.
12. Chernjavskij, V.A., Aksel'rod E.Z. Zhilishhnoe stroitel'stvo. 2003. № 3. pp. 15-16.
13. Pinadzhjan, V.V. Stroitel'naja promyshlennost'. 1948, № 3, pp. 14-17.
14. Muhamediev T.A. Beton i zhelezobeton. № 3, pp. 6-8.
15. Belyaev Alexey, Nesvetaev Grigory, Mailyan Dmitry. MATEC Web of Conferences 106, 04022 (2017) URL:10.1051/matecconf/20171060 SPbWOSCE-2016 4022.
16. Chajes M.J. ACI Structural Journal. 1999. V. 93. № 2. pp. 295-303.
17. Shehata I.A.E.M., Carneiro L.A.V. and Shehata L.C.D. Materials and Structures, Vol. 35, January-Februarv 2002, pp. 50 - 58.
18. Kostenko A.N. Prochnost' i deformativnost' central'no i vnecentrenno szhatyh kirpichnyh i zhelezobetonnyh kolonn, usilennyh ugle i steklovoloknom [Strength and deformability of centrally and eccentrically compressed brick and reinforced concrete columns reinforced with carbon and fiberglass]. Avtoreferat. diss. kand. tehn. Nauk, Moskva, 2010. 26p.
19. Pol'skoj P.P., Georgiev S.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017, № 4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4826
20. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R., Georgiev S.V. Nauchnoe obozrenie, 2014, № 122. pp. 496-499.
21. Mal'ganov A.I., Plevkov V.S., Polishhuk A.I. Vosstanovlenie i usilenie stroitel'nyh konstrukcij avarijnyh i rekonstruiruemyh zdanij [Restoration and strengthening of building structures of emergency and reconstructed buildings]. Tomsk, Atlas shem i chertezhej, 1990. 316 p.
22. Shilin A.A. Pshenichnyj V.A., Kartuzov D.M. Vneshnee armirovanie zhelezobetonnyh konstrukcij kompozitnymi materialami [External reinforcement of reinforced concrete structures with composite materials]. OAO «Izdatel'stvo Strojizdat», 2007. 184 P.
23. Dolomanjuk R. Ju. Sbornik materialov III Nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii. 2020. pp. 524-528.
