CC BY
5
К ВОПРОСУ УСИЛЕНИЯ ИЗГИБАЕМЫХ СТАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПОМОЩИ УГЛЕВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.В. Михаськин, канд. техн. наук, доцент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2023-4-3-76-80
Аннотация. В статье описывается аналитический метод исследования характеристик связей между усиленными углепластиком стальными изгибаемыми элементами, совместная работа и изменение жесткостных характеристик сечения при изгибе. Рассматриваются напряжения и деформации при изгибающих нагрузках в стальных балках при усилении углепластиковыми ламелями. Аналитические испытания на изгиб проводились при помощи моделирования конструкции балки в программном комплексе Ansys. Произведена теоретическая оценка улучшения нагрузки с использованием новых конфигураций углепластика и изучение руководящих принципов проектирования для использования ламинатов углепластика для усиления балок.
Ключевые слова: усиление, композиты, фиброармированные пластики, металлические конструкции, расчет, проектирование.
Фиброармированные полимеры (ФАП), в частности, армированный углеродом полимер (УФАП), все чаще используются в стальных конструкциях. Основные свойства композита из углепластика зависят от типа и ориентации (поперечного или продольного направления) углеродного волокна, типа и процентного содержания смол и условий отверждения. Таким образом, существуют разные типы углепластика с разными свойствами.
Усовершенствованные композиты стали одним из методов усиления железобетонных конструкций за последние десятилетия. Однако, в России исследования по применению композитов для стальных конструкций ограничены или опираются на зарубежные нормативные документы.
Использование полимеров для ремонта и восстановления стальных конструкций имеет многочисленные преимущества по сравнению с традиционными методами усиления болтовыми или сварными соединениями на стальных пластинах. Композитные материалы на основе углерода предпочтительнее других материалов, так как имеют больший модуль упругости.
В данной работе для сравнительного анализа было построено три математических модели балки в программе Ansys. В качестве контрольного образца взята балка
двутаврового сечения №24 без усиления, второй образец - стальная балка с усилением стальной пластиной, соединенная сварочным нахлесточным соединением. Третий образец - стальная балка с усилением фиброармированной углепластико-вой ламелью (ламинатом) с аналогичными со стальной пластиной геометрическими характеристиками. Конечно-элементная модель разработана и откалибрована с использованием данных, полученных в ходе экспериментальных исследований [4, 5, 6].
Соединение элементов фиброармиро-ванных ламелей со стальным элементом производится при помощи клеевого соединения [1]. Равномерное распределения сцепления по двум склеивающим поверхностям позволяет избежать концентрического напряжения на краях пластины, как при сварных швах. Полное взаимодействие металла и фиброармированного пластика обеспечивается за счет переноса сдвигового напряжения по толщине слоя клея. Наиболее подходящим для соединения полимера и стали являются физический и химический связующие механизмы.
Целью данной работы является количественная оценка улучшения нагрузки с использованием новых конфигураций углепластика и изучение руководящих принципов проектирования для использо-
вания ламинатов из углепластика для усиления изгибаемых элементов.
В статье описываются выполненные задачи и процесс проектирования стальной балки, усиленной с помощью углепластика.
Список выполненных задач выглядит следующим образом:
1. Предварительное проектирование стальной балки для выбора подходящего усиления.
О 5 10 15 20 25 30 35
Прогиб, мм
-Балка со стальной пластиной -Контрольная балка
Рис. 1. Сравнительная диаграмма деформаций изгибаемых элементов
2. Параметрическое исследование с использованием анализа методом конечных элементов (КЭ): исследование параметров, таких как длина ламината из углепластика, толщина, конфигурация и свойства материала, а также профиль стальной балки.
3. Анализ результатов параметрического исследования: построен график нагрузки-деформации для сравнения влияния различных параметров усиления (рис. 1).
Экспериментально-аналитическая часть. При помощи анализа конечных элементов оцениваются жесткостные характеристики в пластинах углепластика, а также балках. Характеристики материалов приняты из СТО 01-2011 [3].
Использованы численные и аналитические решения для анализа элементов напряжений, а также более конкретный анализ изгиба балки. Для прогнозирования разрушения были использованы два подхода (метод предельных состояний по 1 -ой и 2-ой группе и метод конечных элементов).
Как правило, используется итерационный подход, поскольку расчет выполняется на разные сочетания нагрузок. Предварительно определяется для одного из вариантов нагружения площадь поперечного сечения углеволокна, а затем эта площадь корректируется в зависимости от результатов прочностных и жесткостных показателей.
По результатам исследований в других странах были разработаны критерии предельного состояния на основе разрушения склеенных пластин из углепластика [15].
Также был разработан подход, основанный на разрушающих нагрузках. Оценка эффективности такого метода, в сравнении с экспериментальными данными, обеспечивают удовлетворительные результаты в прогнозировании разрыва связей между пластиной и поверхностью стального элемента [16].
Аналитические методы расчета на основе напряжений для анализа балки основаны на условиях равновесия и деформационной совместимости. Хотя для усиления углепластиком железобетонных изделий были разработаны некоторые методы, аналогичные анализу возникающих напряжений, было предложено несколько различных моделей. Чтобы получить относительно простые решения с закрытыми формами, большинство методов предполагают постоянство сдвиговых и нормальных напряжений по толщине клея, а сам клей однородным.
Смит и Тенг [17] провели обзор существующих решений, доступных для оценки межфазовых напряжений в пластинах. Метод, предложенный Смитом и Тенгом (2001), применим к случаям общей нагруз-
ки, в то время как выражения для сосредоточенной нагрузки, равномерно распределенной нагрузки и двух симметрично расположенных сосредоточенных нагрузок являются частными случаями.
Построение аналитической модели. При реконструкции и усилении металлических балок при помощи стальных пластин увеличение несущей способности и жесткости балок производят за счет изменения геометрических сечений, т.е. максимально увеличивают момент инерции и сопротивления расчетных сечений при минимальном расходе дополнительного материала. Следует усиливать в балках в первую очередь растянутый пояс, затем стенки и в последнюю очередь приступать к усилению сжатых поясов. При нарушении указанной последовательности могут возникнуть опасные сварочные деформации, увеличивающие неупругие деформации конструкции.
Проверка жесткости усиленной балки от увеличенной нагрузки. Рассматриваемая схема усиления балки реализуется только при практически полной ее разгрузке. Принятое несимметричное усиление балки вызовет дополнительные прогибы ее от усадки сварных швов, прикрепляющих элементы усиления к полке двутавра, т.к. швы в уровне нижней полки будут создавать перекос в одну из сторон. Поэтому белее выгодным является усиление углепластиковыми пластинами, соединение которых осуществляется клеем, не вызывающим дополнительных напряжений от сварного шва.
Приращения нагрузки были автоматизированы и обработаны алгоритмом решения ANSYS. Деформации в середине пролета, а также значения деформации вдоль длины балки оценивалось с помощью анализа конечных элементов. Модель балки, разработанная для анализа, показана на рисунках 2, 3, 4.
Рис. 2. Суммарные деформации контрольной балки, мм
G: Static Structural
Total Deformation Type: Total Deformation Unit mm Time: 1
06.03.201922:51
21.804 Max
21.217 18,63 16.043 13.456 10.866 8,2813 5.6942 3.1071
0.51992 Mk.
ANSYS
H16.2
0.00 500,00 1000.00 (mm)
250.00 750,00
Рис. 3. Суммарные деформации балки, усиленной металлической пластиной, мм
Ь Static Structural
Total Deformation Type: Total Deformation Unit: mm
06.03.2019 23:33
23.911 Max
21.331 18,731 16.13 13.53 10,93 8,3292 5.7288 3.1284
0.52804 Min
Рис. 4. Суммарные деформации балки, усиленной углеволокнистой пластиной, мм
Библиографический список
1. ГОСТ 14759-69 Клеи. Метод определения прочности при сдвиге.
2. СТО-01-2011 Усиление пролетных строений мостов материалами на основе однонаправленных высокопрочных углеродистых волокон.
3. СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.
4. Klaiber F.W., Dunker K.F., Wipf T.J., Sanders W.W. Methods of Strengthening Existing Highway Bridges. - Washington, D.C.: Transportation Research Board, National Research Council, 1987. - 114 pp.
5. Lightweiqht Structure in Metal and Fiber-Reinforced Composites / R. Velthuis, M.P. Koetter, P L. Geiss, P. Mitschang, L.K. Schlarb // PROCESS COMPARISON.
6. Dag Linghoff. Carbon-fibre Composites for strengthening steel structures // Thin Walled Structures. - 2009. - Vol. 47. - P. 1048-1058.
7. Meier U., Strengthening of structures using carbon fibre epoxy composites // Construction and Building Materials. - 1995. - Vol. 9, Iss. 6. - P. 341-351.
8. Rahai A.R., Alinia M.M. Performance Evaluation and Strengthening of concrete structures with composite bracing members // Construction and Building Materials. - 2008. - Vol. 22, Iss. 10. - P. 2100-2110.
9. СП 53-102-2004. Свод правил по проектированию и строительству. - Введ. 01.01.2005. - М.: ЦПП, 2005. - 131 с.
10. Плевков, В.С. Оценка технического состояния, восстановление и усиление строительных конструкций инженерных сооружений: учеб. пособие / В.С. Плевков, А.И. Малыганов, И.В. Балдин. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: АСВ, 2014. - 328 с.
11. Латишенко, В.А. Диагностика жесткости и прочности материалов. - Рига, 1968. -320 с.
12. Тарануха, Н.А. Программно-аппаратный комплекс по обработке результатов эксперимента колеблющейся системы / Н.А. Тарануха, А.Н. Петрова, Н.Н. Любушкина; ГОУВ-ПО «КнАГТУ». - Комсомольск-на-Амуре, - 2007. - 12 с.
13. Усиление металлических конструкций фиброармированными пластиками: Часть 2. Применение метода предельных состояний к расчету растягиваемых и изгибаемых конструкций. Овчинников И. И. и др.
14. Lenwari A., Thepchatri T. Predicting of premature separation of bonded CFRP plates from strengthened steel beams using a fracture criterion // Structural Engineering and Mechanics. - 2002. - №14 (5). - P. 565-574.
15. Bocciarelli M., Colombi P., Fava G., Poggi C. Prediction of debonding strength of tensile steel/CFRP joints using fracture mechanics and stress based criteria // Engineering Fracture Mechanics. - 2009. - №76 (2). - P. 299-313.
16. Smith S.T., Teng J.G. Interfacial stresses in plated beams // Engineering Structures. -2001. - №23. - P. 857-871.
17. Albat A.M., Romilly D.P. A direct linear-elastic analysis of double symmetric bonded joints and reinforcements // Composites Science and Technology. - 1999. - №59. - P. 11271137.
18. Vilnay. O. The analysis of reinforced concrete beams strengthened by epoxy bonded steel plates // The International journal of Cement Composites and Lightweight Concrete. - 1988. -№ 10(2). - P. 73-78.
ON THE ISSUE OF STRENGTHENING BENT STEEL ELEMENTS USING CARBON FIBER MATERIALS
V.V. Mikhaskin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (Russia, St. Petersburg)
Abstract. The article describes an analytical method for studying the characteristics of the bonds between carbon reinforced steel bendable elements, joint work and changes in the stiffness characteristics of the section during bending. Stresses and deformations under bending loads in steel beams reinforced with carbon fiber lamellas are considered. Analytical bending tests were carried out by modeling the beam structure in the Ansys software package. A theoretical assessment of the load improvement using new carbon fiber configurations and the study of design guidelines for the use of carbon fiber laminates to strengthen beams was carried out.
Keywords: reinforcement, composites, fiber reinforced plastics, metal structures, calculation, design.
