CC BY
24УДК 624.07:691.32
DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-761-7-8-11
С.В. НИКОЛАЕВ1, д-р техн. наук, научный руководитель (nikolaev@ingil.ru); А.И. СЕРДЮК2, инженер; Ю.Г. ХАЮТИН1, д-р техн. наук; А.К. ШРЕЙБЕР2, д-р техн. наук (nauka@ingil.ru)
1 АО «ЦНИИЭП жилища» (127434, г. Москва, Дмитровское ш., 9, стр. 3)
2
ООО «ИПЦ ИнтерАква» (127463, г. Москва, ул. Севанская, 5, корп. 1)
О назначении нормативных характеристик композитных материалов для усиления строительных конструкций внешним армированием
Представлена необходимость актуализации (пересмотра) нормативных документов и прочностных характеристик углеродистой ткани, применяемой в качестве композитного материала для повышения несущей способности железобетонных конструкций, таких как балки, плиты перекрытий, колонны. Предлагается нормативное сопротивление разрушению углепластика принимать не по прочности исходного волокна, как это предлагают фирмы-изготовители углеродистой ткани, а по результатам испытания углепластика в соответствии с ГОСТ 25.601-80 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах» с доверительной вероятностью 0,95 в сертифицированной лаборатории. При испытании образцов целесообразно учитывать не толщину образца, а расчетную толщину углеродистой ткани, соответствующую количеству углеродистого волокна в поперечном сечении образца. Предложенная методика расчета нормативного сопротивления разрушению позволяет избегать ошибочных решений по усилению железобетонных конструкций при их старении или при восстановлении конструкций после пожаров или сейсмических воздействий.
Ключевые слова: углеродистая ткань, сопротивление разрушению, поперечное сечение углепластика, нормативно-технические документы, балки, перекрытия, колонны.
Для цитирования: Николаев С.В., Сердюк А.И., Хаютин Ю.Г., Шрейбер А.К. О назначении нормативных характеристик композитных материалов для усиления строительных конструкций внешним армированием // Строительные материалы. 2018. № 7. С. 8-11. DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-761-7-8-11
S.V. NIKOLAEV1, Doctor of Sciences (Engineering), Scientific Head (nikolaev@ingil.ru); A.I. SERDYUK2, Engineer: Yu.G. KHAYUTIN1, Doctor of Sciences (Engineering); A.K. SHREYBER1, Doctor of Sciences (Engineering), (nauka@ingil.ru)
1 AO "TSNIIEP ZHILISHCHA" (9, bldg. 3, Dmitrovskoye Shosse, Moscow, 127434, Russian Federation)
2 OOO "IPTS InterAqua" (5, bldg. 1, Sevanskaya Street, Moscow, 127463, Russian Federation)
About Designation of Normative Characteristics of Composite Materials for Strengthening of Building Structures by External Reinforcement
The necessity of actualization (revision) of normative documents and strength characteristics of carbon fabric used as a composite material to increase the bearing capacity of reinforced concrete structures, such as beams, floor slabs, columns, is presented. It is proposed to adopt the normative resistance to destruction of carbon fiber not by the strength of the original fiber, as it is offered by the manufacturers of carbon fabric, but by the results of the test of carbon fiber in accordance with GOST 25.601-80 "Calculations and strength tests. Methods of mechanical testing of composite materials with a polymer matrix (composites). (Method of testing of flat samples for tension at normal, high and low temperatures)" with a confidence probability of 0.95 in a certified laboratory. When testing samples, it is advisable to take into account not the thickness of the sample, but the calculated thickness of the carbon fabric corresponding to the amount of carbon fiber in the cross section of the sample. The proposed method for calculation of the normative resistance to destruction makes it possible to avoid erroneous decisions on strengthening of reinforced concrete structures at their aging or at restoration of structures after fires or seismic impacts.
Keywords: carbon fabric, resistance to destruction, cross-section of carbon plastic, normative-technical documents, beams, floor slabs, columns.
For citation: Nikolaev S.V., Serdyuk A.I., Khayutin Yu.G., Shreyber A.K. About designation of normative characteristics of composite materials for strengthening of building structures by external reinforcement. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 7, pp. 8-11. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-761-7-8-11 (In Russian).
В последние годы для усиления несущих строительных конструкций из железобетона все шире применяется внешнее армирование композитными материалами на основе высокопрочных углеродных тканей (лент, холстов). Метод отлично зарекомендовал себя для повышения несущей способности изгибаемых элементов, таких как балки и плиты перекрытия; на действие изгибающих моментов; усиления колонн на сжатие; восстановления конструкций после пожаров; повышения сейсмостойкости конструкций и решения многих других задач [1—7].
Усиление композитными материалами предусматривает устройство на растянутых поверхностях конструкций высокопрочных углепластиковых накладок, выполняющих функции внешнего армирования [8—12]. Для усиления неразрезных плит перекрытия на дей-
ствие изгибающих моментов усиливающие элементы устраивают в двух взаимно перпендикулярных направлениях — на нижней поверхности в пролетной части плиты и на верхней вблизи опор (рис. 1). Увеличение несущей способности колонн на центральное сжатие осуществляют обоймой из кольцевых замкнутых элементов внешнего армирования (рис. 2). При этом бандажи воспринимают растягивающие усилия от поперечных деформаций бетона под нагрузкой, ограничивая их и создавая условия трехосного сжатия в элементе. Условная прочность бетона на сжатие в условиях стесненных деформаций повышается.
Углепластиковые накладки обычно выполняют пропиткой углеродных лент специальным эпоксидным связующим непосредственно на подготовленной поверхности конструкции («сухим» способом). После по-
8
июль 2018
jVJ ®
Рис. 1. Усиление перекрытия на действие изгибающих моментов (вид снизу)
Рис. 2. Усиление центрально-сжатой колонны
Статистическая оценка результатов испытаний углеродной ткани CWrapFabric 230/300
Вычисляемая величина Значение величины
Среднеарифметическое значение предела прочности, МПа 4374,08
Среднеквадратическое отклонение, МПа 486,74
Коэффициент вариации, % 11,13
Коэффициент Стьюдента для 5 образцов при доверительной вероятности 0,95 2,776
Значение предела прочности с обеспеченностью 0,95, МПа 3022,88
лимеризации связующего накладки совместно с конструкцией воспринимают растягивающие усилия, повышая ее несущую способность. Для защиты от механических повреждений усиливающих элементов при последующих работах на углепластик наносят по-лимерцементное покрытие. При необходимости выполняют огнезащиту усиленных конструкций.
Перед усилением конструкций композитными материалами обычно выполняют ремонтно-восстановитель-ные работы, включающие устранение дефектов, таких как трещины, сколы, каверны, и антикоррозионные мероприятия.
Несмотря на наличие большого числа нормативных и методических документов по расчету внешнего армирования конструкций композитными материалами [1, 2] - ACI 440.2R-08 Guide for the Design and construction of Externally Bonded FRP Systems for strengthening concrete structures; СТО 11670666-003-2012; ОДМ 218.3.027-2013, у проектировщиков часто возникают затруднения при подборе параметров усиливающих элементов. Встречаются ошибки при назначении нормативных характеристик усиливающих элементов в расчете, в особенности нормативного сопротивления растяжению R,n. Такие ошибки могут приводить к неверным заключениям о несущей способности усиленных конструкций, их перегрузке и грозят возникновением аварийных ситуаций.
Согласно Руководству (Ю.Г. Хаютин, В.Л. Чернявский, Е.З. Аксельрод, В.А. Клевцов, Н.В. Фаткуллин. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. М.: ИнтерАква, НИИЖБ, 2006) и СП 164.1325800.2014 нормативное сопротивление растяжению композитного материала следует принимать равным значению, установленному по результатам испытания образцов по ГОСТ 25.601-80 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повы-
шенной и пониженной температурах» с обеспеченностью 0,95. В Руководстве по усилению железобетонных конструкций композитными материалами исходными данными для определения нормативных и расчетных значений силовых и деформационных характеристик композитных материалов предлагается принимать их сертифицированные значения, предоставляемые фирмами-производителями. При этом методика испытаний для получения таких значений не указывается. В Руководстве по усилению железобетонных конструкций композитными материалами приводятся только ориентировочные справочные значения свойств отвержденно-го композита и исходного углеродного волокна, а механические характеристики углепластика для применения при проектировании предлагается определять по ГОСТ 25.601-80.
В паспортах качества и технических описаниях углеродной ткани, как правило, не содержится информации о нормативных значениях сопротивления растяжению (с обеспеченностью 0,95) или результатов сертификационных испытаний, по которым можно было бы его вычислить.
Так, в технических описаниях для углеродных тканей Fib Arm Tape-230/300 и Carbon Wrap Tape-230/300 производители и поставщики в паспорте продукции указывают только прочность исходного волокна.
Для углеродной ткани Sika Wrap-230 C/45 помимо данных о прочности сухого волокна дополнительно приводится информация о максимальной нагрузке для углепластика на единицу ширины с заданной толщиной слоя. При этом указывается, что эти значения являются приблизительными. Также приводится «теоретическая прочность на растяжение для расчетов» при двух значениях удлинения с примечанием, что «величина растяжения зависит от типа нагрузки и должна быть адаптирована к действующим местным нормативам». Таким образом, в техническом описании данной углеродной ткани отсутствует величина, которую можно было бы принять в качестве нормативного сопротивления растяжению Rfn.
Производитель углеродной ткани C Wrap Fabric230/300 указывает в паспорте качества продукции «прочность на разрыв» 4900 МПа для волокна Toray T 700SC-24K.
Среди публичных источников (на официальных сайтах поставщиков) нормативное значение сопротивления растяжению с обеспеченностью 0,95 удалось найти только для углеродной ткани Carbon Tape Arm поверхностной плотностью 200 и 300 г/м2 (для Carbon Tape Arm-300 Rfn = 3820 МПа).
При недостатке информации от производителей углеродных тканей (лент, холстов) проектировщики иногда ошибочно принимают в качестве нормативного сопротивления растяжению R,n прочность исходного волокна. Такая ошибка приводит к значительному завышению характеристик композитного материала и соответственно к некорректному подбору сечения усиливающих элементов.
Существенная разница между прочностью исходного волокна и прочностью углеродной ткани в углепластике объясняется различиями этих двух материалов,
июль 2018
9
методики изготовления испытуемых образцов и подсчета результатов испытаний.
Прочность исходного волокна определяют в соответствии с положениями ISO 10618:2004, TY-030B-01, ГОСТ Р ИСО 10618—2012 или по аналогичным методикам. Углеродную нить протягивают через ванну с термо-отверждаемой смолой, отжимают через валки и наматывают на рамку. Рамку помещают в печь, где отверждают смолу. Из снятой с рамки пропитанной нити готовят образцы для испытаний. Образцы поочередно закрепляют в разрывной испытательной машине и растягивают со скоростью до 250 мм/мин до разрушения. Регистрируют усилие разрыва. Для каждого образца рассчитывают предел прочности при растяжении нити по формуле:
Ff
f Af
где Ff — максимальная сила растяжения; Af — площадь поперечного сечения нити (по углероду), определяемая по формуле:
Af Р/ '
где Tv — линейная плотность нити без аппрета (препаратов для обработки волокон с целью придания им комплекса потребительских свойств); Р/ — плотность нити без аппрета (при низком содержании аппрета его наличие допускается не учитывать). Затем рассчитывают среднеарифметическое значение отдельных испытаний и заносят в протокол испытаний. По требованию заказчика либо по требованию технических условий рассчитывают также стандартное отклонение и коэффициент вариации отдельных испытаний с помощью обычных статистических методов расчета.
В технических описаниях углеродистых тканей фирм-производителей указывается прочность на растяжение ткани в композите, тогда как назначение показателя прочности следует производить согласно ГОСТ 25.601—80, т. е. испытывать композитный материал как изделие из пропитанной эпоксидным связующим углеродной ткани (после отверждения). При этом изготовление и кондиционирование образцов производят в соответствии с техническими условиями или стандартами на композиционный материал (например, [1], Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами, СТО 1170666-002—2012), т. е. по технологии, близкой к изготовлению композитного материала при его применении для усиления конструкций. Углеродная нить в образцах подвергается механическим воздействиям при производстве последней (в прядильной машине), изготовлении образцов (валиками, шпателями) во время пропитки и прикатки к основанию, имеет перегибы через поперечный уток. Из одного и того же волокна разные производители создают ткань с различающимися между собой механическими характеристиками. Несмотря на то что основные механические свойства композита на растяжение (в том числе прочность при растяжении) определяет углеродная ткань, а эпоксидное связующее является матрицей (служащей для объединения отдельных волокон и перераспределения усилий между ними, а также передачи этих усилий от конструкции на внешнее армирование), оно тоже в некоторой степени влияет на конечную прочность углепластика. Поэтому важно испытывать именно конкретное сочетание смола—ткань, которое планируется применять на строительной площадке. Для этого образцы углепластика в виде полос прямоугольного сечения растягивают в испытательной машине со скоростью до 5—20 мм/мин до разрушения. Регистрируют
усилие разрыва. Предел прочности при растяжении для каждого образца вычисляют по формуле:
а„ =
bh'
где "шах — максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца; Ь, h — ширина и толщина образца соответственно. Статистическую обработку результатов испытания проводят при доверительной вероятности 0,95. Для этого необходимо вычислить среднеарифметическое значение предела прочности:
п
где п — количество испытанных образцов; определить среднеквадратическое отклонение:
S =
Х(о-о)2
п-1
и коэффициент вариации:
о
Затем вычисляют обеспеченное с вероятностью 0,95 значение предела прочности материала при растяжении °/о,95 = °(1-^а^), где — коэффициент Стьюдента, назначаемый по справочным данным в зависимости от количества испытанных образцов и заданной доверительной вероятности.
Предполагается, что толщина h всех испытываемых образцов углепластика должна быть одинаковой и строго соответствовать принимаемой в расчетах усиления величине tf (толщина композитного материала по СП 164.1325800.2014). Фактически, при ручном формовании углепластика (как при изготовлении образцов, так и на строительной площадке) его толщина может несколько варьироваться. Это объясняется некоторой неровностью самой углеродной ткани, разным количеством расходуемого на пропитку и прикат-ку ткани эпоксидного связующего, которое зависит от температуры основания и окружающей среды, навыков изготовителя образцов, а также других факторов. Постоянным остается количество углеродного волокна в поперечном сечении углепластика. Поэтому, целесообразно вместо толщины h для определения предела прочности при растяжении и в качестве используемой в подборе усиления величины tf (в том числе для вычисления площади Af поперечного сечения усиливающих элементов) принимать расчетную толщину углеродной ткани, равную частному площадной и объемной плотности последней. Например, для углеродной ткани CWrap Fabric230/300 поверхностной плотностью 230 г/м2 и объемной плотностью 1800 кг/м3 расчетная толщина будет равна:
230 г/м2
tf =
Г = 0,000127 (7)м = 0,128 мм.
1800000 г/м3
В таком случае погрешности фактической толщины испытуемых углепластиковых образцов не столь существенны.
Для численной оценки различия прочности углеродной ткани в пластике (по расчетному количеству углеродных волокон в поперечном сечении углепластика) и исходного волокна проведена статистическая оценка результатов испытания углеродной ткани CWrapFabric 230/300 с шириной образцов от 15,77 до 28 мм и разбросом предела прочности ткани в композите на растяжение от 3870 до 5013 МПа (см. таблицу).
Таким образом, для CWrapFabric230/300 предел прочности углеродной ткани в пластике с доверитель-
научно-технический и производственный журнал ©'fitte)'у t" i*1»j^|tj|'3 To июль 2018
ной вероятностью 0,95 отличается от прочности исходного волокна в ~1,6 раза (4900 /3022,88 МПа).
Выводы
Недопустимо принимать прочность исходного волокна, из которого изготавливается углеродная ткань (лента, холст), в качестве нормативного сопротивления растяжению последнего (Rf„).
Нормативное сопротивление растяжению R,n следует определять по результатам испытания углепластика в соответствии с ГОСТ 25.601—80 с доверительной вероятностью 0,95 в сертифицированной лаборатории.
Список литературы
1. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. М.: Строй-издат, 2007. С. 57-59.
2. Чернявский В.Л., Хаютин Ю.Г. и др. Строительство и реконструкция зданий и сооружений городской инфраструктуры. М.: АСВ, 2011. 321 с.
3. Старовойтова И.А., Семенов А.Н., Зыкова Е.С., Хозин В.Г., Сулейманов А.М. Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций. Ч. 1. Требования к клеям. Технологические характеристики // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 50-54.
4. Вагнер Е.С. Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами // Достижения вузовской науки. 2015. № 15. С. 119-123.
5. Сулейманов А.М., Зыкова Е.С., Старовойтова И.А., Семенов А.Н. Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций. Ч. 2. Физико-механические характеристики клеев // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 64-67.
6. Быков А.А., Румянцев С.Д., Бирин А.С. Экспериментальное исследование прочностных и деформационных характеристик железобетонных балок, усиленных углепластиком // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2016. № 2 (22). С. 112-126.
7. Клюев С.В., Гурьянов Ю.В. Внешнее армирование изгибаемых фибробетонных изделий углеволокном // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 1 (36). С. 21-26.
8. Гусев Б.В., Фаликман В.Р. Бетон и железобетон в эпоху устойчивого развития // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 2. С. 30-38.
9. Есипов С.М. Композитные материалы для усиления строительных конструкций // Сб.: Образование, наука, производство. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. С. 2475-2479.
10. Грибанов А.С., Лукин М.В., Стрекалкин А.А., Сергеева А.Н. Исследование прочности и деформа-тивности сжатоизгибаемых элементов, армированных композитными материалами // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2018. № 4 (1004). С. 40-42.
11. Туснин А.Р., Щуров Е.О. Экспериментальные исследования клеевого соединения элементов из стали и углепластиковых композиционных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 7. С. 69-73.
12. Есипов С.М. Анализ и перспективы усиления ЖБК композитными материалами // Национальная Ассоциация Ученых. 2015. № 7-2 (12). С. 61-65.
Толщина h всех испытуемых образцов углепластика должна быть одинаковой и строго соответствовать принимаемой в расчетах усиления величине (толщина одного слоя композитного материала по СП 164.1325800.2014).
При вычислении предела прочности при растяжении испытанных по ГОСТ 25.601-80 образцов их фактическую толщину целесообразно заменять расчетной толщиной углеродной ткани (соответствующей количеству углеродного волокна в поперечном сечении образца). При этом для проектирования усиления величину следует принимать аналогично.
References
1. Shilin A.A., Pshenichny V.A., Kartuzov D.V. Vneshnee armirovanie zhelezobetonnyh konstrukcij kompozi-cionnymi materialami [External reinforcement of reinforced concrete structures with composite materials]. Moscow: Stroyizdat, 2007. 59 р.
2. Chernyavsky V.L., Khayutin Yu.G. Stroitel'stvo i rekon-strukciya zdanij i sooruzhenij gorodskoj infrastruktury [Construction and reconstruction of buildings and structures of urban infrastructure]. Moscow: ASV, 2011. 321 p.
3. Starovoitova I.A., Semenov A.N., Zykova E.S., Khozin V.G., Suleimanov A.M. Modified adhesive binders for external reinforcement of building structures. Part 1. Requirements for adhesives. Technological characteristics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 50-54. (In Russian).
4. Wagner E.S. Strengthening of reinforced concrete structures with composite materials. Dostizheniya vuzovskoj nauki. 2015. No. 15, pp. 119-123. (In Russian).
5. Suleimanov A.M., Zykova E.S., Starovoitova I.A., Semenov A.N. Modified adhesive binders for external reinforcement of building structures. Part 2. Physical and mechanical characteristics of adhesives. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 12, pp. 64-67. (In Russian).
6. Bykov A.A., Rumyantsev S.D., Birin A.S. Experimental study of the strength and deformation characteristics of reinforced concrete beams reinforced with carbon fiber reinforced plastic. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Prikladnaya ehkologiya. Urbanistika. 2016. No. 2 (22), pp. 112-126. (In Russian).
7. Klyuev S.V., Guryanov Yu.V. External reinforcement of bent fibro-concrete products by carbon fiber. Inzhhenerno-stroitel'nyj zhurnal. 2013. No. 1 (36), pp. 21-26. (In Russian).
8. Gusev B.V., Falikman V.R. Concrete and reinforced concrete in the era of sustainable development. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. No. 2, pp. 30-38. (In Russian).
9. Esipov S.M. Composite materials for strengthening building structures. In the collection. "Education, science, production". Belgorod: BGTU im V.G. Shukhov. 2015, pp. 2475-2479.
10. Gribanov A.S., Lukin M.V., Strekalkin A.A., Sergeva A.N. Investigation of the strength and deformation of compressed bending elements reinforced with composite materials. BST: Byulleten' stroitel'noj tekhniki. 2018. No. 4 (1004), pp. 40-42. (In Russian).
11. Tusnin A.R., Shchurov E.O. Experimental studies of glued joints of elements made of steel and carbon composite materials. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2017. No. 7, pp. 69-73. (In Russian).
12. Esipov S.M. Analysis and Prospects of Strengthening of Concrete Blocks by Composite Materials. Nacional'naya Associaciya Uchenyh. 2015. No. 7-2 (12), pp. 61-65. (In Russian).
J'iyj ®
июль 2018
11
