Особенности усиления металлических конструкций композитными материалами при воздействии агрессивной среды Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.014 DOI: 10.22227/1997-0935.2020.4.496-509

Особенности усиления металлических конструкций композитными материалами при воздействии агрессивной среды

А.Н. Леонова, О.Д. Софьяников, И.А. Скрипкина

Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ); г. Краснодар, Россия АННОТАЦИЯ

Введение. Рассмотрены вопросы усиления металлических строительных конструкций системами внешнего армирования композитными материалами. Применение данных методов усиления в отечественной литературе и на практике исследовано не полностью. Актуально изучение особенностей усиления в условиях действия внешней агрессивной среды, а именно при воздействии гальванической коррозии, повышенных температур окружающей среды и экстремальных температур от огневых воздействий. Цель исследования — установить эффективность усиления металлических конструкций композитными материалами при воздействии различных силовых факторов, в том числе циклических нагрузок, и при действии внешней агрессивной среды.

Материалы и методы. Методологической основой послужил анализ публикаций отечественных и зарубежных ученых по теоретическому и практическому опыту применения композитных материалов для усиления металлических конструкций. При описании зависимостей физических величин от внешних и внутренних силовых и несиловых факторов использованы научные методы индукции, дедукции, обобщения и сравнения.

Результаты. Выполнено комплексное исследование эффективности применения композитных материалов для усиления металлических конструкций в агрессивной среде. Проанализирована зависимость прироста прочности усиленных стальных образцов от длины клеевого соединения внешнего армирования, изучена возможность усиления при О О усталостных напряжениях. Приведены рекомендации по применению защитных изолирующих систем и материалов,

О О предотвращающих снижение несущей способности конструкций от внешних несиловых факторов.

Выводы. Выявлена эффективность усиления металлических конструкций с помощью композитных углепластиковых ^ ^ материалов. Несущая способность усиленных конструкций может быть увеличена на 59 %. При достижении тем-

О з пературы стеклования углепластиковых материалов прирост несущей способности от систем внешнего усиления

с $ уменьшается на 50 %, а при повышении температуры до 60 °С — системы внешнего усиления неэффективны и не

3 ~ повышают несущую способность. Для достижения требуемого показателя огнестойкости систем усиления, равного

не менее одного часа, необходимо использовать внешнюю противопожарную изоляцию.

ш ф

5 ^ КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: строительство, реконструкция, усиление металлических конструкций, композитные мате-

0 и риалы, агрессивная среда, влияние температуры, коррозия, огнестойкость конструкций

аТ а> ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Леонова А.Н., Софьяников О.Д., Скрипкина И.А. Особенности усиления металлических

= .¡3 конструкций композитными материалами при воздействии агрессивной среды // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. Вып. 4.

О С. 496-509. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.4.496-509

о

о У со <т

1

о со гм

(Л

ю

Features of strengthening metal structures with composite materials under the influence of an aggressive environment

' o Anna N. Leonova, Oleg D. Sofyanikov, Irina A. Skripkina

. c Kuban State Technological University (KubSTU); Krasnodar, Russian Federation

ю

CO

9 <= ABSTRACT

CT> CT>

CO

cd ° Introduction. This article is devoted to the issues of reinforcing metal building structures with external reinforcement systems

with composite materials. The application of these strengthening methods in domestic literature and in practice has not been fully studied. As a result, it is relevant to study the characteristics of strengthening under the action of an external aggressive OT environment, namely when exposed to galvanic corrosion, elevated ambient temperatures and extreme temperatures from

• • firing. The purpose of the study is to establish the effectiveness of reinforcing metal structures with composite materials under

O the influence of various force factors, including cyclic loads, and under the action of an external aggressive environment.

g o Materials and methods. The methodological basis of scientific research was the analysis of publications of domestic and

x S foreign scientists on the theoretical and practical experience of using composite materials to strengthen metal structures.

S During the study, when describing the dependences of physical quantities on external and internal force and non-force

i- £ factors, scientific methods of induction, deduction, generalization and comparison were used.

® iS

CO >

© А.Н. Леонова, О.Д. Софьяников, И.А. Скрипкина, 2020 Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

Results. Performed a comprehensive study of the effectiveness of the use of composite materials to enhance the metal structures in hostile environments. The dependence of the increase in strength of reinforced steel samples on the length of the adhesive joint of external reinforcement is analyzed, the possibility of applying reinforcement at fatigue stresses is investigated. Recommendations on the use of protective insulating systems and materials that prevent the reduction of the bearing capacity of structures from external non-force factors are given.

Conclusions. The effectiveness of reinforcing metal structures using composite carbon fiber materials is revealed. The bearing capacity of reinforced structures may be increased by 59 %. When the glass transition temperature of carbon fiber materials is reached, the increase in the bearing capacity from external amplification systems decreases by 50 %, and when the temperature is increased to 60 °C, the external amplification systems are ineffective and do not increase the bearing capacity. To achieve the required fire resistance of the amplification systems, equal to at least one hour, it is necessary to use external fire insulation.

KEYWORDS: construction, reconstruction, reinforcement of metal structures, composite materials, aggressive environment, temperature effects, corrosion, fire resistance of structures

FOR CITATION: Leonova A.N., Sofyanikov O.D., Skripkina I.A. Features of strengthening metal structures with composite materials under the influence of an aggressive environment. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(4):496-509. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.4.496-509 (rus.).

ВВЕДЕНИЕ

Использование металлических конструкций при строительстве зданий и сооружений промышленного, гражданского и транспортного назначения в последнее время значительно возросло. Помимо этого, ввиду постоянного развития производства, актуальным является проведение реконструкции и технического перевооружения промышленных зданий с металлическим каркасом с целью продления жизненного цикла и приведения строительных конструкций в соответствие с требованиями современных нормативных документов.

Металлические конструкции в процессе эксплуатации подвергаются воздействию силовых нагрузок (в том числе циклических нагрузок, вызывающих усталостные разрушения конструкций), повышенных и экстремальных температур, агрессивной окружающей среды (в том числе коррозионного износа), в результате чего несущая способность зданий и сооружений снижается, а долговечность сокращается.

Одним из способов восстановления и повышения несущей способности строительных конструкций является их усиление. Традиционные способы усиления с использованием железобетонных и металлических элементов содержат множество недостатков, таких как выключение строительных конструкций из эксплуатации, значительное увеличение собственного веса и размеров усиливаемых конструкций, вследствие чего уменьшается свободная площадь помещений, большой объем сварочных работ, возникновение дополнительных деформаций конструкций.

Было проведено исследование [1] работы арматуры из композитных полимерных материалов для

возведения новых строительных железобетонных конструкций, а в труде [2] изучены способы и особенности усиления строительных железобетонных конструкций изделиями из композитных полимерных материалов при реконструкции эксплуатируемых зданий.

Для усиления металлических конструкций также широко используются композитные полимерные материалы. По сравнению с другими конструкционными материалами, такими как алюминий и сталь, композитные полимерные материалы (на основе углеродного волокна) обладают экстремально высокими и уникальными характеристиками — прочностью, сопротивлением усталости, модулем упругости, термической, химической и коррозионной стойкостью, в разы превышающими аналогичные показатели стали при существенно меньшей массе.

Для изучения возможности применения композитных полимерных материалов при усилении металлических строительных конструкций рассмотрим ряд экспериментальных исследований.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Методологической основой научного исследования послужил анализ публикаций отечественных и зарубежных ученых по теоретическому и практическому опыту применения композитных материалов для усиления металлических конструкций. В ходе исследования при описании зависимостей физических величин от внешних и внутренних силовых и несиловых факторов были использованы научные методы индукции, дедукции, обобщения и сравнения.

< п

ф е t с

i G Г

сС

У

0 со § СО

1 z У 1

J со

^ I

n °

S 3 o

zs (

о §

E w § 2

n g

S 6

r 6 t (

S ) i

<D

01

« DO

■ T

s □

s У с о

<D Ж ,,

2 2 О О 2 2 О О

О О

сч N

О о

N N

¡г <и

U 3 > (Л С И

to in

¡1 ф ф

о %

---' "t^

о

О <£

со <

d го с о

■+J

о

о

о

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Усиление металлических конструкций композитными полимерными материалами

Различные металлические конструкции (фермы, рамы, опорные системы, эстакадные конструкции и т.д.) представляют собой сочетание тонкостенных стержневых, пластинчатых и оболочечных элементов, работающих на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб. Поэтому усиление этих сложных, на первый взгляд, конструкций сводится к усилению составляющих их металлических элементов — стержней, работающих на растяжение-сжатие; балок, работающих на изгиб; элементов, работающих на сдвиг, и пластинчатых или оболо-чечных элементов, работающих чаще всего на двухосное растяжение [3].

Помимо этого, могут быть усилены сталебетонные конструкции, например, монолитные сталебетонные перекрытия, где в качестве элементов несъемной опалубки и одновременно несущих конструкций используются металлические балки [4, 5].

Внешнее усиление представляет собой наклейку высокопрочных холстов или ламинатов из композитных материалов с их последующим отверждением на поверхность металлических конструкций. Холсты и ламинаты состоят из слоя адгезива, обеспечивающего клеевое соединение с основанием усиливаемой конструкции, однослойного или многослойного композитного материала и защитного слоя, который выполняет защиту системы от действия внешней агрессивной среды.

Современный строительный рынок предлагает огромный выбор вышеуказанных материалов. Однако наибольшей популярностью пользуются материалы на основе углеродных волокон. Это можно объяснить тем, что такие материалы обладают более высокими физико-механическими свойствами, чем материалы, армированные арамидными или стеклянными волокнами [6].

В работе [7] выполнены экспериментальные исследования клеевого соединения элементов из

стали и углепластиковых композитных материалов в лаборатории НИУ МГСУ Образцы, конструкция которых изображена на рис. 1, состояли из двух стальных пластин шириной 55 мм и толщиной 12 мм, марка стали — С245. В качестве клеевого состава использовали FibArm Resin Laminate+, изделия на основе углеродных волокон — ламели FibArm Lamel-12/50 шириной 25 мм и толщиной 1,2 мм. Предварительно были испытаны образцы ламе-лей из углеродных волокон для определения фактических характеристик. Прочность углеродного композита составила 2300 МПа. При напряжениях в первом образце 759 МПа по данным экстензоме-тра модуль упругости на начальном участке составил 2,34 х 105 МПа, во втором образце при 730 МПа по данным тензорезистора — 1,71 х 105 МПа.

Следовательно, при напряжениях в углеродном композите FibArm Lamel-12/50, соответствующих пределу текучести высокопрочной стали, его модуль упругости близок к модулю упругости стали. Результаты испытания изображены на рис. 2.

Выполнено экспериментальное исследование прочности клеевого соединения ламели со стальными элементами. Использованы четыре типа образцов с длиной композитных ламелей 380; 435; 595; 660 мм и длиной клеевого соединения с двух сторон 170; 200; 280 и 310 мм соответственно. Согласно полученной зависимости «нагрузка — деформация», изображенной на рис. 3, при увеличении длины клеевого соединения на 82 % несущая способность образцов, определенная по условному пределу текучести, в среднем увеличилась на 71 %. При разрушении образцы типа 380 имели среднюю деформацию 0,53 %, а образцы типа 660 — 0,26 %, что говорит об увеличении жесткости образцов в 2 раза.

Испытания показали, что разрушение всех образцов происходило по клеевому соединению, несмотря на формально большую прочность при большей длине клеевого соединения. При этом уровень напряжений в ламелях при разрушении составил лишь 28-32 % прочности углеродного композита. Это говорит о нерациональном использовании угле-

ю со

О)

о

I

О) О)

(Л

ю

il

О (П

Рис. 1. Образец для испытания клеевого соединения: 1 — зона захвата зажимами; 2 — участок приклеивания композита; 3 — клей; 4 — углеродный композит Ш > Fig. 1. Sample for testing the adhesive bond: 1 — clamping area; 2 — composite bonding area; 3 — adhesive; 4 — carbon composite

Рис. 2. Результаты предварительного испытания ламели из углеродных волокон: 1 — кривая «нагрузка — перемещение» образцов; 2 — кривая «напряжения — перемещение» образцов; 3 — зависимость «напряжение — деформация» по данным экстензометра; 4 — то же, по данным тензорезистора

Fig. 2. Results of preliminary testing of carbon fiber lamellas: 1 — "load — displacement" curve of samples; 2 — stress-displacement curve of samples; 3 — dependence "stress — strain" according to the extensometer; 4 — the same, according to the strain gauge

Рис. 3. Зависимость «нагрузка — деформация» при длине клеевого соединения: 1 — 170 мм; 2 — 200 мм; 3 — 280 мм; 4 — 310 мм

Fig. 3. Dependence "load — strain" with the length of the adhesive bond: 1 — 170 mm; 2 — 200 mm; 3 — 280 mm; 4 — 310 mm

пластиковых ламелей и необходимости дополнительного закрепления клеевого соединения.

В работе [8] проведены экспериментальные исследования стальных конструкций, работающих на

растяжение, с усилением углепластиковыми ламе-лями. Конструкция образцов, показанная на рис. 4, имеет предпосылки к разрушению в средней части. Были использованы стальные пластины класса С245, углепластиковые ламели FibArm Lamel-12/50 и двухкомпонентный клей FibArm Resin Laminate+.

Среди результатов испытания получена зависимость «нагрузка — перемещение» для стальных образцов без усиления и образцов с усилением углепластиковыми ламелями, которая приведена на рис. 5.

Согласно данной зависимости, выявлен линейный участок, на котором работа стального образца совпадает с графиком работы усиленного образца. При нагрузке 134 кН сталь достигает предела текучести и развиваются пластические деформации в образцах. Увеличение растягивающих нагрузок продолжалось до разрушения клеевого соединения образцов, далее нагрузка на образец резко падала до значений, соответствующих площадке текучести стали. Затем наблюдалась стадия самоупрочнения при быстром росте деформаций, а при нагрузке до 213 кН происходило разрушение образца.

Рис. 4. Образец для испытания на растяжение: 1 — участок приклеивания композита; 2 — зона захвата зажимами; 3 — клей; 4 — углеродный композит

Fig. 4. Sample for tensile test: 1 — composite bonding area; 2 — clamping area; 3 — adhesive; 4 — carbon composite

< DO

<d е t с

i G Г

сС

У

0 сл

n СЛ

1 z У 1

J to

^ I

n °

S> 3 o

zs ( O?

о n

СЛ

It —

u СЛ

о СЛ

n 2

CO

о

r § о

о

0)

о

on

SS ) i

<D

01

« DO

■ T

s □

s У с о

<D Ж ,,

О О 10 10 О О

Рис. 5. Кривая «нагрузка — перемещение» стальных образцов на растяжение: 1 — усиленные углепластиковыми ла-мелями; 2 — без усиления

Fig. 5. "Load — displacement" curve of steel samples for tensile test: 1 — reinforced with carbon fiber lamellas; 2 — without strengthening

о о

N N О О

tv N *

К <D U 3 > 1Л С И

U in

¡1 <u <u

о £ —■

О

о cj

CD <f 8 «

со

CO

о

о

ю со

О)

о

I

О) О)

(Л

ю

¡1 w

■S

I

il О tn Ф Ф U >

Прочность усиленного образца оказалась на 59 % больше прочности стального элемента, определенной по пределу текучести. Следовательно, экспериментальные исследования подтвердили эффективность усиления металлических образцов с помощью композитных углепластиковых материалов.

В статье [9] описано исследование работы стальных балок с внешним усилением композитными углепластиковыми материалами на четырехточечный изгиб. Как и в случае работы усиленных металлических конструкций на растяжение, разрушение образцов на четырехточечный изгиб происходило при отслоении углепластика по клеевому контакту со стальной балкой.

Группа зарубежных ученых в труде [10] выполнила испытание стальных балок, усиленных композитными углепластиковыми материалами, на действие усталостных напряжений. Испытание проводилось с помощью установки MTS-810, состоящей из верхней опорной рамы и нижней загрузочной балки, с использованием четырехточечной схемы приложения нагрузки, проиллюстрированной на рис. 6.

С двух сторон установки применялись фиксаторы для предотвращения изменения положения испытуемого образца. В точках приложения нагрузки использовались четыре колеса-опоры, свободно вращающихся во время испытания на усталостное разрушение.

Для моделирования фактического повреждения, вызванного расширением усталостных трещин, исследователи преднамеренно выполнили выемку, работающую как концентратор напряжений, в середине пролета испытываемой стальной балки.

Все образцы восстанавливали методом сварки. Часть образцов дополнительно усиливали композитными углепластиковыми пластинами и листами с применением клеевого соединения. Результатом испытания образцов в условиях циклических нагрузок является диаграмма со средними значениями, приведенная на рис. 7.

Было отмечено, что система усиления угле-пластиковыми изделиями может увеличить усталостную прочность стальных балок более чем в три раза по сравнению с балками, отремонтированными только методом сварки. Помимо этого, система

Рис. 6. Установка испытания на усталостное разрушение Fig. 6. Fatigue failure test setup

Н»0 ......................

I - - Ч. ■ 4. ' ■■ >1 L г. г ■ >■ ч ■ -. '_м ч J--г - ■ L - ■ -1 -_Ц ■ jJ

■ ^'t,14nlnr ^тлеолпгпгшмтип писппошц

' TrV^^-.^V. Stnen^lten«)та-itfcwrima№wptiHf

i J ф WiniHWi-ynwnwniwiminwTiflMi

| ï- ](Й StînjfllKtied m'ilhcMbaL ИЬст îlert * *

5 t * lfcBO:ib№MWI[T(;K[HJI

à. \YWd$d (щ|у

10 -r--——^-—--

10* JPS li" ifr'

ЕОгпрк^ТВ* UIKM Niimtfi of wto Рис. 7. Зависимость «напряжение — количество циклов» образцов на усталостное разрушение Fig. 7. Dependence "stress — number of cycles" of the samples for fatigue failure

усиления композитными материалами позволила не только уменьшить скорость роста трещины в балке, но и выдержать несколько дополнительных циклов нагрузки после полного растрескивания натяжного фланца.

Далее рассмотрим, в каких условиях внешней агрессивной среды возможно усиление изделиями из композитных полимерных материалов и как изменяются физико-механические свойства усиливаемых металлических конструкций.

Влияние действия внешней агрессивной среды на металлические конструкции с усилением композитными полимерными материалами Влияние гальванической коррозии Надежность соединения композитных полимерных изделий напрямую зависит от качества обработки поверхности усиливаемых элементов металлических конструкций для приклеивания.

Комплекс работ по подготовке поверхности состоит из удаления имеющегося покрытия, шлака

и других продуктов коррозии с конструкции, обезжиривания растворителем, абразивной пескоструйной отчистки, сушки поверхности, химического травления, нанесения праймера и заполнения неровностей.

Коррозионное разрушение элементов стальных конструкций является основным фактором, приводящим к аварийному состоянию конструкций, потере работоспособности и снижению долговечности [11].

Несмотря на то что углепластик — нержавеющий материал, когда углеродные волокна находятся в контакте со сталью, они могут образовывать гальванический элемент. Для повышения прочности элементов стальных конструкций и прочности угле-пластиковых материалов крайне необходимо предотвращение гальванической коррозии. Это может быть достигнуто путем изолирования различных металлов друг от друга или путем предотвращения непрерывной связи электролитического раствора между ними посредством нанесения стойкого герметика [12].

< п

Ф е t с

iH

G Г сС

У

0 с/з § с/з

1 s

y 1

J со

^ I

n °

S 3 o

=s (

о §

E w § 2

n g

S 6

Г œ tt (

SS )

®

01

Рис. 8. Углеродные композитные образцы для исследования гальванической коррозии Fig. 8. Carbon composite samples for galvanic corrosion research

« DO

■ T

s □

s У с о

Ф Ж ,,

M 2 О О 10 10 о о

Рис. 9. Результаты испытания гальванического соединения образцов: 1 — без эпоксидного покрытия; 2 — эпоксидное покрытие внутренней стороны; 3 — тонкое эпоксидное покрытие 0,1 мм; 4 — типичное эпоксидное покрытие 0,25 мм Fig. 9. Results galvanic connection test of samples: 1 — without epoxy; 2 — epoxy on back side; 3 — thin epoxy cover 0,1 mm; 4 — typical epoxy cover 0,25 mm

о о

N N О О

tv N *

к ai

u 3

> (Л

с и ta in

¡1 <D ф

О ё —' "t^ о о

со <т 8 «

<л ю

о О

ю со

СП

о

I

СП СП

(Л (Л

¡1 w I ^

О to Ф Ф СО >

В работах зарубежных ученых [13-15] изучена гальваническая коррозия при контакте между углеродными композитными материалами и сталью.

Рассмотренные варианты эпоксидного покрытия приведены на рис. 8. Рекомендуется также использование клеевых составов с высокими изоляционными свойствами, водостойкого слоя герметика или сочетания клеевого слоя и герметика.

Согласно графической зависимости, изображенной на рис. 9, скорость гальванической коррозии напрямую связана с толщиной защитного слоя из эпоксидной смолы. При толщине слоя 0,1 мм скорость процессов коррозионного разрушения уменьшилась в таких электролитах, как морская вода и солевой раствор, соответственно в 7 и 5 раз, при использовании более толстого эпоксидного покрытия — 0,25 мм, скорость гальванической коррозии уменьшилась соответственно в 21 и 23 раза.

В работах [16, 17] рассмотрены способы усиления металлических строительных конструкций композитными углепластиковыми материалами при воздействии коррозии. Для усиления стальных колонн предложен способ устройства открытой оболочки из углепластиковых материалов с последующим заполнением легким бетоном, а для усиления стальных балок мостовых конструкций — устройство внешнего армирования поясов балок.

Следовательно, применение композитных угле-пластиковых материалов в качестве систем внешнего усиления металлических конструкций возможно в условиях действия агрессивных сред, вызывающих коррозию, как в гражданском и промышленном, так и в мостовом строительстве.

Влияние повышенной температуры окружающей среды

Металлические конструкции и композитные полимерные материалы особенно чувствительны к высокой температуре окружающей среды. Прочность и жесткость композитных изделий при достижении температуры стеклования (температуры плавления) резко снижается, нарушаются клеевое соединение и сцепление с поверхностью усиливаемых конструкций.

Для значений температур, характерных для промышленных и гражданских инженерных конструкций, нежелательных эффектов можно избежать подбором композитных материалов, в которых температура стеклования всегда выше, чем максимальная рабочая температура конструкции или усиливаемого элемента [18].

Автор труда [19] изучил влияние температуры на стальные балки, усиленные внешним армированием из углепластиковых композитных материалов.

Следует отметить, что испытания проводились при температурах до 60 °С, а предел текучести и модуль упругости стали снижаются при температуре свыше 100 °С. Следовательно, влияние температуры на стальные элементы в ходе исследования можно игнорировать.

Выполнены предварительные испытания на растяжение образцов композитных углепластиковых пластин (Exel Composites Ltd) и ламинатов MTM 46/ STS, а также изготовленных в лаборатории образцов из адгезивного клеевого материала Sikadur-30. Результаты испытаний приведены на рис. 10 и 11.

Рис. 10. Испытание углепластиковых образцов на растяжение при повышенной температуре Fig. 10. Tensile testing of carbon fiber samples at elevated temperature

Рис. 11. Испытание образцов из адгезивного материала на растяжение при повышенной температуре Fig. 11. Tensile testing of samples of adhesive material at elevated temperature

Воздействие высокой температуры может смягчить матрицу смолы в композитном углепластико-вом изделии. Однако используемая в исследовании эпоксидная матрица имела температуру размягчения 190 °С, таким образом механические свойства углепластика при температуре 60 °С не были нарушены. Адгезивный клеевой материал показал значительное снижение прочности при достижении температуры стеклования, равной по результатам данного испытания 43 ± 1 °С.

Выполнено испытание на трехточечный изгиб стальных двутавровых балок, растянутый пояс которых усилен композитными углепластиковы-ми пластинами толщиной 3,3 мм и длиной 700 мм в середине пролета. Схема установки испытания на трехточечный изгиб изображена на рис. 12.

Для проведения испытания при повышенных температурах от 20 до 60 °С была использована температурная камера. Образцы нагревали до нужной температуры и выдерживали в течение 45 мин для

< п

ф е t с

i

G Г сС

У

0 с/з § с/з

1 2 У 1

J со

^ I

n ° o

=! (

о §

E w § 2

n 0

2 6 r 6

t (

ф ) ¡1

<D

01

« DO

■ T

(Л У

с о

<D X ,,

2 2 О О 2 2 О О

Рис. 12. Установка испытания на трехточечный изгиб при повышенной температуре Fig. 12. Installation of a three-point bend test at elevated temperature

о о

N N О О tv N

¡г <1J

U 3

> 1Л

С И

to in

¡1 <u <u

о ё —■

О

о cj

CD <f

d <0 с о

о

о О

ю со

О)

о

I

О) О)

(Л

ю

il

О (П ф ф

достижения равномерного распределения температуры вдоль всей балки. Результаты испытания представлены на рис. 13.

Согласно результатам испытания, несущая способность двутавровых балок, усиленных угле-пластиковыми пластинами, увеличилась на 35 % в стандартных температурных условиях, однако при повышении температуры эффективность усиления уменьшалась. Полная потеря эффекта от внешнего армирования достигнута при 60 °С, и кривая «нагрузка — прогиб» балки с усилением стала похожа на кривую неусиленной балки.

Влияние экстремальных температур при огневых воздействиях

Полученные результаты испытаний при повышенных температурных воздействиях до 60 °С недостаточны. Применение внешнего усиления из композитных углепластиковых изделий ограничено противопожарными нормами проектирования, ввиду возможных экстремально высоких температур

огневого воздействия на строительные металлические конструкции.

Во время воздействия огня механические свойства композитных материалов систем внешнего усиления металлических конструкций могут быть улучшены путем применения систем противопожарных защитных покрытий, способствующих предотвращению распространения пламени и выделения дыма.

В работе [20] исследователи провели оценку огнестойкости металлических конструкций, усиленных углепластиковыми изделиями. На рис. 14 приведена кривая изменения температуры в адгезивном клеевом слое системы внешнего усиления стального двутаврового профиля и ее сравнение со стандартной кривой возгорания при пожаре.

При возникновении пожара разница температур между окружающей средой и внешней системой усиления углепластиковыми материалами составляла 45 %, однако уже через 150 секунд эта разница

Рис. 13. Кривая «нагрузка — прогиб» образцов испытания на изгиб при повышенной температуре Fig. 13. "Load — deflection" curve of bend test specimens at elevated temperature

Рис. 14. Влияние экстремальной температуры на неизолированную систему внешнего усиления композитными материалами

Fig. 14. The effect of extreme temperature on non-insulated external reinforcement system with composite materials

была практически незначительной. Температура стеклования адгезивного клеевого материала системы усиления, равная в данном эксперименте 50 °С, была достигнута в течение 10 с.

Из этого следует, что степень огнестойкости композитных углепластиковых материалов является недостаточной для применения в качестве систем внешнего усиления металлических конструкций. Использование изолирующих защитных противопожарных систем служит обязательным требованием при проектировании в гражданском и промышленном строительстве для поддержания требуемого уровня пожарной безопасности.

Были проведены теоретические и численные термические анализы для изолирующих противопожарных систем из материалов с различной теплопроводностью и толщиной слоя, графически изображенные на рис. 15 и 16.

Рис. 15. Температура системы внешнего усиления композитными материалами с изоляцией различной теплопроводности Fig. 15. Temperature of the external strengthening system with composite materials with insulation of various thermal conductivity

< DO

<d е t о

i

G Г сС

У

o n

l 2 y 1

J to

El n

2 3 o

=s ( n

E со § 2

n 0

2 6 r 6

t ( go

CD ) ¡1

<D

01

Рис. 16. Температура системы внешнего усиления композитными материалами с изоляцией различной толщиной слоя Fig. 16. Temperature of the external strengthening system with composite materials with insulation of various layer thicknesses

« DO ■

s □

(Л у с о <D X

22 О о 10 10 о о

О О сч N О о

N N *

К <D U 3 > (Л С И

и in

¡1 <и <и

о % —■

о

О «J со <

8 «

<Л (Л

о О

ю со

О)

о

I

О) О)

Данные графических зависимостей показали, что при снижении теплопроводности изолирующего материала на 51 % огнестойкость может быть увеличена на 65 %. При увеличении толщины слоя изоляции на 300 % увеличение огнестойкости составило всего 240 %. Из этого следует, что наиболее рационально использовать изолирующие материалы с меньшей теплопроводностью и варьировать их толщиной слоя для достижения необходимого показателя огнестойкости систем внешнего усиления композитными углепластиковыми материалами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

На основании проведенного теоретического анализа исследований по усилению металлических конструкций композитными углепластиковыми материалами в условиях действия внешней агрессивной среды можно сделать следующие выводы:

• в ряде рассмотренных экспериментальных испытаний прочность на растяжение стальных образцов, усиленных углепластиковыми материалами, увеличилась на 59 % по сравнению с прочностью образцов без усиления. Прочность на растяжение при изгибе усиленных образцов увеличилась на 35 %. Следовательно, экспериментальные исследования подтвердили эффективность усиления металлических конструкций с помощью композитных угле-пластиковых материалов;

• по данным экспериментального исследования клеевого соединения стальных элементов и угле-пластиковых материалов выявлена зависимость прироста прочности усиленных образцов от длины клеевого соединения. Так, при увеличении длины клеевого соединения на 82 % прочность образцов на растяжение увеличивается в среднем на 71 %. Значительный интерес представляет разработка методики расчета прочности металлических конструкций, усиленных композитными материалами, с учетом понижающего коэффициента, учитывающего отличие от эталонного значения длины клеевого шва;

• прекращение совместной работы усиливаемых элементов металлических конструкций и систем усиления в проводимых экспериментальных испытаниях происходило вследствие разрушения

клеевого соединения при уровне напряжений в ла-мелях, равных 28-32 % от прочности углеродного композита. Необходимо увеличение прочности клеевого шва и, как результат, использование полной прочности углепластиковых материалов. Особое внимание следует уделить исследованию возможности дополнительного закрепления композитных материалов с усиливаемыми металлическими конструкциями с использованием заклепочных соединений, повышающих прочность на сдвиг.

• применение композитных углепластиковых материалов для восстановления и усиления металлических конструкций, подверженных усталостным разрушениям, позволяет увеличить сопротивление усталости и уменьшить скорость роста усталостных трещин. В рассмотренных экспериментальных испытаниях сопротивление усталости было увеличено в три раза, что подтверждает эффективность применения систем усиления стальных конструкций при усталостных напряжениях;

• для предотвращения возникновения гальванической коррозии в месте контакта углепластиковых материалов и металлических конструкций рекомендуется использовать эпоксидные защитные покрытия или клеевые составы с высокими изоляционными свойствами, позволяющие уменьшить скорость коррозии до 23 раз;

• при достижении температуры стеклования углепластиковых материалов прирост несущей способности от систем внешнего усиления уменьшается на 50 %, а при повышении температуры до 60 °С — системы внешнего усиления неэффективны и не повышают несущую способность. Рекомендуется использовать композитные материалы и клеевые адгезивные составы с температурой стеклования выше, чем максимальная рабочая температура окружающей среды;

• применение внешнего усиления из композитных углепластиковых материалов ограничено их низким показателем огнестойкости. Для достижения показателя огнестойкости, равного не менее одного часа, необходимо использовать системы внешней противопожарной изоляции из материалов теплопроводностью 0,043 Вт/(м°С) и толщиной слоя 75 мм или с эквивалентными характеристиками.

<л ю

ЛИТЕРАТУРА

¡1 w

"S

Г ES

О (П ф ф

со >

1. Грешкина Е.В., Сорокина Е.Н., Софьяников О.Д. Влияние температуры на физико-механические свойства неметаллической арматуры // Наука и бизнес: пути развития. 2019. № 2 (92). С. 12-15.

2. Леонова А.Н., Софьяников О.Д, Кривенко-ва Т.В. Особенности усиления строительных конструкций композитными полимерными материалами в условиях высоких и низких температур // Перспективы науки. 2019. № 5 (116). С. 64-69.

3. Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Чес-ноков Г.В., Татиев Д.А., Покулаев К.В. Усиление металлических конструкций фиброармирован-ными пластиками: часть 1. Состояние проблемы // Интернет-журнал «Науковедение». 2014. № 3. С. 1-27. Идентификационный номер статьи в журнале 19TVN314. URL: https://naukovedenie.ru/ PDF/19TVN314.pdf

4. Щербо А.Г., Лазовский А.Д. Усиление изгибаемых стальных и сталебетонных строительных конструкций композиционными материалами // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F: Строительство. Прикладные науки. 2008. № 12. С. 70-80.

5. Pellegrino C., Maiorana E, Modena C. FRP strengthening of steel and steel-concrete composite structures: an analytical approach // Materials and Structures. 2009. No. 42. Issue 3. Pp. 353-363. DOI: 10.1617/s11527-008-9386-6

6. Капустина Е.П. Применение композиционных полимерных материалов при усилении металлических конструкций, работающих на изгиб // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2017. № 6 (128). С. 53-57.

7. 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.

8. Туснин А.Р., Щуров Е.О. Экспериментальные исследования стальных элементов, усиленных углепластиковыми композиционными материалами // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 9. С. 25-29.

9. Selvaraj S., Madhavan M. Design of Steel Beams Strengthened with Low-Modulus CFRP Laminates // Journal of Composites for Construction. 2020. Vol. 24. Issue 1. P. 04019052. DOI: 10.1061/ (asce)cc.1943-5614.0000983

10. Jiao H., Mashiri F, Zhao X-L. A comparative study on fatigue behaviour of steel beams retrofitted with welding, pultruded CFRP plates and wet layup CFRP sheets // Thin-Walled Structures. 2012. Vol. 59. Pp. 144-152. DOI: 10.1016/j.tws.2012.06.002

11. Карпанина Е.Н., Софьяников О.Д. Разработка базовой методики определения поверхностного коррозионного износа стальных конструк-

Поступила в редакцию 25 декабря 2019 г. Принята в доработанном виде 6 марта 2020 г. Одобрена для публикации 29 марта 2020 г.

ций // Наука и бизнес: пути развития. 2018. № 11 (89). С. 108-111.

12. Леонова А.Н., Чернова А.А. Особенности усиления металлических конструкций композитными материалами // Наука и современность. 2017. С. 126-132.

13. Tavakkolizadeh M., Saadatmanesh H. Galvanic corrosion of carbon and steel in aggressive environments // Journal of Composites for Construction. 2001. No. 5 (3). Pp. 200-210. DOI: 10.1061/(asce)1090-0268(2001)5:3(200)

14. DawoodM., Rizkalla S., Sumner E. Fatigue and overloading behavior of steel-concrete composite flexural members strengthened with high modulus CFRP materials // Journal of Composites for Construction. 2007. Vol. 11. Issue 6. Pp. 659-669. DOI: 10.1061/ (asce)1090-0268(2007)11:6(659)

15. Zhao X.-L., Zhang L. State-of-the-art review on FRP strengthened steel structures // Engineering Structures. 2007. Vol. 29. Issue 8. Pp. 1808-1823. DOI: 10.1016/j.engstruct.2006.10.006

16. Al-Saidy A.H., Klaiber F.W., Wipf T.J. Repair of steel composite beams with carbon fiber-reinforced polymer plates // Journal of Composites for Construction. 2004. Vol. 8. Issue 2. Pp. 163-172. DOI: 10.1061/(asce)1090-0268(2004)8:2(163)

17. Liu X., Silva P., Nanni A. Rehabilitation of steel bridge members with FRP composite material // Proc. Composite in Construction, Porto, Portugal, 10-12 October. 2001.

18. Овчинников И.И., Овчинников И.Г., Татиев Д.А., Чесноков Г.В., Покулаев К.В. Усиление металлических конструкций фиброармированными пластиками: часть 2. Применение метода предельных состояний к расчету растягиваемых и изгибаемых конструкций // Интернет-журнал «Науковедение». 2014. № 3 (22). С. 1-23. Идентификационный номер статьи в журнале 20TVN314. URL: https:// naukovedenie.ru/PDF/20TVN314.pdf

19. Abed G. Effects of temperature on the adhesive bonding in steel beams reinforced with CFRP composites // University of Southampton. 2012.

20. Chandrathilaka E.R.K., Gamage J.C.P.H. Fire performance of CFRP strengthened steel I beams cured at elevated temperature // The 9th International Conference on Sustainable Built Environment, Kandy, Sri Lanka, December 13-15. 2018.

< DO

<d е t с

i G Г

сС

У

0 с/з § с/з

1 z У 1

J to

^ I

n °

S> 3 o

zs (

о §

u c/3

§ 2

n 0

s 6

Г 6 t (

SS ) ii

<D

01

Об авторах: Анна Николаевна Леонова — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительных конструкций Института строительства и транспортной инфраструктуры (ИСТИ); Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ); 350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2; РИНЦ ГО: 367107; [email protected];

Ш DO ■ Т

s У с о

<D Ж ,,

2 2 О О 2 2 О О

Олег Дмитриевич Софьяников — инженер кафедры строительных конструкций, магистрант кафедры строительных конструкций Института строительства и транспортной инфраструктуры (ИСТИ); Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ); 350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2; РИНЦ ГО: 996777; [email protected];

Ирина Андреевна Скрипкина — магистрант кафедры строительных конструкций Института строительства и транспортной инфраструктуры (ИСТИ); Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ); 350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2; РИНЦ ГО: 1052902; [email protected].

REFERENCES

1. Greshkina E.V., Sorokina E.N., Sofyanikov O.D. Effect of temperature on physical and mechanical properties of non-metallic reinforcement. Science and Business: Development Ways. 2019; 2(92):12-15. (rus.).

2. Leonova A.N., Sofyanikov O.D., Krivenkova T.V. Features of Strengthening Building Structures with Composite Polymeric Materials in Conditions of High and Low Temperatures. Science Prospects. 2019; 5(116):64-69. (rus.).

3. Ovchinnikov I.I., Ovchinnikov I.G., Chesno-kov G.V., Tatiev D.A., Pokulaev K.V. Strengthening of metal structures with fiber reinforced plastic: Part 1.

® ® State of the problem. Internet journal "Science of Sci° ° ence". 2014; 3:1-27. Journal Article Identification Number 19TVN314. URL: https://naukovedenie.ru/ x ¡u PDF/19TVN314.pdf (rus.).

> j« 4. Shcherbo A.G., Lazovskij A.D. Strengthening 2 bending steel and steel-concrete building structures with . t™ composite materials. Vestnik of Polotsk State University. t- S Part F. Constructions. Applied Sciences. 2008; 12:70-| 3 80. (rus.).

5. Pellegrino C., Maiorana E., Modena C. FRP -je ^ strengthening of steel and steel-concrete composite = structures: an analytical approach. Materials andStruc-O J tures. 2009; 42(3):353-363. DOI: 10.1617/s11527-008-g £ 9386-6

«p^ 6. Kapustina E.P. Application of composite o § polymeric materials instrengthening of metal struc-§ tures working on bending. Donbas National Academy in ^ of Civil Engineering and Architecture. 2017; 6(128): 53-57. (rus.).

■ i R 7. Tusnin A.R., Shchurov E.O. Experimental In— g vestigation of a Glue Compound of Elements from Steel g> ro and Carbon Composite Material. Industrial and Civil 9 § Engineering. 2017; 7:69-73. (rus.). o)° 8. Tusnin A.R., Shchurov E.O. Experimental 2 £ Studies of Steel Elements Strengthened by Carbon Fiber $ o Composite Materials. Industrial and Civil Engineering. ~ f 2017; 9:25-29. (rus.).

0 9. Selvaraj S., Madhavan M. Design of Steel g (9 Beams Strengthened with Low-Modulus CFRP X ® Laminates. Journal of Composites for Construction.

1 "¡E 2020; 24(1):04019052. DOI: 10.1061/(asce)cc.1943-¡3 * 5614.0000983

10. Jiao H., Mashiri F., Zhao X-L. A comparative study on fatigue behaviour of steel beams retrofitted with welding, pultruded CFRP plates and wet layup CFRP sheets. Thin-Walled Structures. 2012; 59:144-152. DOI: 10.1016/j.tws.2012.06.002

11. Karpanina E.N., Sofyanikov O.D. Development of the Basic Method of Determining the Surface Corrosion of Steel Structures. Science and business: development ways. 2018; 11(89):108-111. (rus.).

12. Leonova A.N., Chernova A.A. Features of reinforcing metal structures with composite materials. Science and Modernity. 2017; 126-132. (rus.).

13. Tavakkolizadeh M., Saadatmanesh H. Galvanic corrosion of carbon and steel in aggressive environments. Journal of Composites for Construction. 2001; 5(3):200-210. DOI: 10.1061/(asce)1090-0268(2001)5:3(200)

14. Dawood M., Rizkalla S., Sumner E. Fatigue and overloading behavior of steel-concrete composite flexural members strengthened with high modulus CFRP materials. Journal of Composites for Construction. 2007; 11(6):659-669. DOI: 10.1061/(asce)1090-0268(2007)11:6(659)

15. Zhao X.-L., Zhang L. State-of-the-art review on FRP strengthened steel structures. Engineering Structures. 2007; 29(8):1808-1823. DOI: 10.1016/ j.engstruct.2006.10.006

16. Al-Saidy A.H., Klaiber F.W., Wipf T.J. Repair of Steel Composite Beams with Carbon Fiber-Reinforced Polymer Plates. Journal of Composites for Construction. 2004; 8(2):163-172. DOI: 10.1061/ (asce)1090-0268(2004)8:2(163)

17. Liu X., Silva P., Nanni A. Rehabilitation of Steel Bridge Members with FRP Composite Material. Proc. Composite in Construction, Porto, Portugal, 10-12 October. 2001.

18. Ovchinnikov I.I., Ovchinnikov I.G., Tatiev D.A., Chesnokov G.V., Pokulaev K.V. Strengthening of metal structures with fiber reinforced plastic: Part 2. Using the method of limit states to calculate bending and rupture structures. Internet journal "Science of Science". 2014; 3(22):1-23. Journal Article Identification Number 20TVN314. URL: https://naukovedenie.ru/ PDF/20TVN314.pdf (rus.).

19. Abed G. Effects of Temperature on the Ad- at elevated temperature. The 9th International Con-hesive Bonding in Steel Beams Reinforced with CFRP ference on Sustainable Built Environment, Kandy, Sri Composites. University of Southampton. 2012. Lanka, December 13-15. 2018.

20. Chandrathilaka E.R.K., Gamage J.C.P.H. Fire performance of CFRP strengthened steel I beams cured

Received December 25, 2019.

Adopted in a revised form on March 6, 2020.

Approved for publication March 29, 2020.

Bionotes: Anna N. Leonova — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures of Institute of construction and transport infrastructure (ICTI); Kuban State Technological University (KubSTU); 2 Moskovskaya st., Krasnodar, 350072, Russian Federation; ID RISC: 367107; [email protected];

Oleg D. Sofyanikov — engineer of the Department of Building Structures, undergraduate of the Department of Building Structures of Institute of construction and transport infrastructure (ICTI); Kuban State Technological University (KubSTU); 2 Moskovskaya st., Krasnodar, 350072, Russian Federation; ID RISC:996777; oleg. [email protected];

Irina A. Skripkina — undergraduate of the Department of Building Structures of Institute of construction and transport infrastructure (ICTI); Kuban State Technological University (KubSTU); 2 Moskovskaya st., Krasnodar, 350072, Russian Federation; ID RISC:1052902; [email protected].

< DO

<D е t с

i

G Г сС

У

0 с/з § с/з

1 s

У 1

J to

^ I

n °

S> 3 o

zs (

о §

u c/3 § 2

n 0

s 6

Г 6 ^^ (

go

cd cd

f?

®

01

« DO ■ T

(Л У

с о

® X ,,

2 2 О О 2 2 О О