CC BY
6
О РАСЧЁТЕ ПРОЧНОСТИ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЭСТАКАД С ПРИМЕНЕНИЕМ СТАЛЬНОЙ ОБОЙМЫ
О.В. Радайкин, профессор Д.В. Нестеров, аспирант
Казанский государственный энергетический университет (Россия, г. Казань)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-5-32-34
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы применения стальной обоймы для усиления железобетонных опор эстакад. Также рассматривается необходимость применения методики расчета железобетонных элементов по нелинейной деформационной модели при прочностном расчете элементов усиления. Затронуты вопросы учета сил трения металлической обоймы и железобетонной опоры при учете сил ее обжатия. Сделаны выводы о необходимости проведения натурных испытаний бетона с предысторией за-гружения для получения фактических диаграмм деформирования.
Ключевые слова: нелинейная деформационная модель, опоры технологических эстакад, предыстория загружений, диаграммы деформирования.
Вопросы необходимости усиления конструкций межцеховых коммуникаций производств возникают в связи с их постоянной эксплуатацией и модернизацией. Широкое распространение в СССР и в последствии в России получили эстакады с опорами из сборного железобетона. За период их эксплуатации такие опоры накапливают разного рода повреждения, на них воздействуют агрессивные среды и как следствие меняется характеристика бетона, из которого они изготовлены. Изменению также может подвергаться и нагрузка на технологические опоры в связи с постоянной модернизацией и техническим перевооружением производств. По этим или иным причинам может потребоваться их усиление. Для изучения способов усиления пригодных для данного типа сооружений рассмотрим, что такое опора технологической эстакады.
Опора железобетонных эстакад - это вертикальный железобетонный элемент, воспринимающий вертикальную и горизонтальную полезную нагрузку от технологических трубопроводов и кабельных ярусов. Передача нагрузки на железобетонные опоры эстакад осуществляется через траверсы, которые опираются либо на сами отдельно стоящие опоры, либо через пролётные строения (балки) в одном или нескольких ярусах.
Задача усиления опоры эстакады фактически решается аналогично с усилением колонн железобетонных зданий. Существует множество типов усиления колонн, такие как усиление композитными материалами, стальной и железобетонной обоймой. а также различными обоймами из фибробетонов.
В условиях постоянной эксплуатации промышленных сооружений наиболее применяемой методикой усиления является усиление стальной обоймой. Это связано со скоростью монтажа, отсутствием времени набора прочности бетона усиления и необходимости опалубки, а также сравнительно меньшим расходом материала и объемом работ.
В ходе применения на практике данного типа усиления, проектировщики сталкиваются с необходимостью расчета элементов стальной обоймы. При использовании нормативного подхода к расчету усиления таких сооружений остаётся ряд допущений связанных перерасходом материалов, отсутствием методики учета истории эксплуатации сооружения. Для исключения этих недостатков возможно применение нелинейной деформационной модели, позволяющей за счет учета диаграммы «напряжений-деформаций» снизить расход материала.
В основе существующего прочностного расчета усиления стальной обоймой лежит оценка несущей способности существующих строительных конструкций. При этом разница между расчетной нагрузкой и предельно-допустимой на существующий вертикальный железобетонный элемент перераспределяется на вертикальные стальные элементы обрамления [1]. Данная методика расчета не позволяет учитывать силы обжатия бетонной опоры уголками усиления.
В итоге при выполнении таких расчетов появляется два вопроса:
1. Как учесть предысторию загружения элемента которая влияет на его прочностные характеристики.
2. Как учесть силы трения и обжатия обоймы бетонного элемента в расчете.
Если в первом случае вопрос решается применением НДМ с экспериментально выведенными диаграммами «напряжений - деформаций», то второй вопрос возможно решить только путем учета сил трения по контактной поверхности обоймы
и бетона. Из литературы [2] нам известны коэффициенты трения материалов «металл-бетон» однако их применение требует создания некой пользовательской модели трения. Стоит отметить, что коэффициент трения может меняться исходя из качества монтажа стальной обоймы (в зависимости от усилий обжатия), а значит стоит вопрос предъявления требований к качеству монтажа таких конструкций. Такие требования на данный момент не рассмотрены в нормативной документации Российской Федерации.
Теоретически усилия обжатия обоймы можно контролировать путем применения обжимных кондукторов [3] и динамометрического ключа, однако конкретные рекомендации по степени обжатия также отсутствуют. Данные значения возможно вывести опытным путем сравнивая с полученными результатами верифицированной расчетной модели.
Также стоит отметить, что для использования пользовательской модели трения необходим конечно-элементный расчет системы усиления. При этом необходимо уделить должное внимание выбору про-
граммного комплекса (ПК) для расчета по МКЭ и типов конечных элементов. На данный момент при обзоре различных вариантов ПК для решения данной задачи наиболее точным и универсальным расчетным комплексом является « Ansys Mechanical APDL»
Численными исследованиями и расчетами усиления железобетонных элементов занимался академик Лазовский Д.Н. В его работе [4] был предложен алгоритм применения НДМ при расчете усиления изгибаемых элементов. Для расчета внецен-тренно сжатых элементов, усиленных стальной обоймой данный алгоритм требует доработки в части добавления пользовательской модели трения «металл-бетон».
На данный момент в открытых источниках есть мало информации о поведении бетона при его длительной эксплуатации под воздействием различных сред. Однако имеющаяся информация в источнике [5] заставляет задуматься о корректности применения диаграмм деформирования при прочностных расчетах реконструируемых промышленных сооружений, предложенных в СП63.13330-2018[6]. При длительной эксплуатации в агрессивных средах, или под воздействием атмосферных осадков бетон меняет свои прочностные характеристики в следствии воздействия данных факторов. А значит меняется и его диаграмма зависимости напряжений от деформаций. При детальном сравнении имеющихся исследований можно отметить, что двух и трехлинейные диаграммы Карпенко [7] имеют отличную от фактической диаграммы форму и значения напряжений и деформаций при агрессивных условиях эксплуатации бетона. Однако для более точного сравнения необходимо большее число исследований по данному направлению.
Выводы
Учитывая широкое распространение железобетонных эстакад на территории постсоветского пространства, есть запрос на комплексное решение этих двух вопросов. Их совместное решение позволит разработать методику прочностного расчёта усиления стальной обоймой железобе-
тонных элементов технологических эстакад.
Для применения диаграмм деформирования бетона с предысторией загружений необходимо проведение дополнительных натурных испытаний прочности бетона, который был в эксплуатации в агрессивных средах.
Библиографический список
1. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Ленинград: Стройиздат, 1965. - 342 с.
2. Пособие по проектированию отдельно стоящих опор и эстакад под технологические трубопроводы (к СНиП 2.09.03-85) // ЦНИИпром зданий. - М.: Стройиздат, 1989. - 80 с.
3. Абдрахимова Н.С., Миронова Ю.В., Шамсутдинова А.И. Экспериментально-теоретические исследования усиленных штепсельных стыков железобетонных колонн при действии поперечной силы // Известия КГАСУ. - 2016. - № 3(37). - С. 118-128.
4. Лазовский, Д.Н. Теория расчета и конструирования усиленияжелезобетонных конструкций эксплуатируемых строительных сооружений. - Минск: БГПА, 1998. - 295 с.
5. Мурашкин В.Г. К вопросу применения моделей деформирования бетона при реконструкции // Эксперт: теория и практика. - 2022. - № 4(19). - С. 41-44. -DOI: 10.51608/26867818_2022_4_41.
6. СП 63.13330.2018 Свод правил. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 19 декабря 2018 г. N 832/пр; дата введ. 20.06.2019 г. АО «НИЦ «Строительство» - НИИЖБ им. А.А. Гвоздева
7. Карпенко, Н.И. Общие модели механики железобетона. - М.: Стройиздат, 1996. -416 с.
ON THE CALCULATION OF THE GAIN OF REINFORCED CONCRETE SUPPORTS OF TECHNOLOGICAL OVERPASSES USING A STEEL CLIPS
O.V. Radaykin, Professor D.V. Nesterov, Postgraduate Student Kazan State Energy University (Russia, Kazan)
Abstract. The article discusses the issues of using a steel cage to strengthen reinforced concrete supports of overpasses. The necessity of applying the methodology for calculating reinforced concrete elements based on a nonlinear deformation model in the strength calculation of reinforcement elements is also considered. The issues of accounting for the friction forces of a metal cage and a reinforced concrete support when taking into account the forces of its compression are raised. Conclusions are drawn about the need to conduct full-scale tests of concrete with a loading history in order to obtain up-to-date stress-strain diagrams.
Keywords: nonlinear deformation model, supports of technological overpasses, prehistory of loads, deformation diagrams.
Учет сил обжатия элементами обоймы бетонной колонны возможен при разработке пользовательской модели трения стали и бетона. Она позволит учесть усилия обжатия и снизить материалоемкость данного метода усиления.
