CC BY
73Раздел 2. Строительство
УДК 614.012.454
ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ ЛАМЕЛЕЙ ПРИ УСИЛЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Маяцкая И.А., Польской П.П. , Георгиев С.В. Федченко А.Е.
Академия строительства и Архитектуры, ФБГОУ ВПО «Донской государственный технический университет» Адрес: г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162 е-mail*: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
Аннотация. В статье рассматриваются возможные варианты увеличения прочности железобетонных конструкций при использовании композиционных материалов. Одним из циклов работы железобетонных конструкций является их усиление, которое осуществляется в процессе ремонта или реконструкции зданий. Традиционное усиление железобетонных конструкций осуществляется с использованием стали и железобетона. В последнее время этот метод в ряде случаев отступает на второй план. Все большее применение находят современные методы усиления с использованием композитных материалов, включая ламели. Однако, многие вопросы, связанные с усилением конструкций, до сих пор не изучены. Особенно это касается конструкций из высокопрочных бетонов. В этой связи, необходимо исследовать работу и методы расчета конструкций, в частности сжатых стоек, изготовленных из высокопрочных бетонов и усиленных углепластиковыми ламелями с учётом их реального напряжённо-деформированного состояния и установить области их наиболее рационального использования. Именно этим вопросам в настоящее время уделено пока недостаточно внимания.
Предмет исследования: Рассматриваются современные методы усиления композитными материалами железобетонных конструкций. Например, материалы на основе углеродных волокон, поставляемых в виде ткани или полос - ламинатов. Необходимо проводить экспериментальные исследования по определению зон для усиления конструкции колонны углепластиковыми ламелями.
Материалы и методы: Рассматриваются современные методы усиления композитными материалами на основе углеродных волокон.
Результаты: Рассматриваются углепластиковые ламели. Экспериментальным путем определяются зоны их расположения.
Выводы: Применение композиционных материалов позволяет увеличить срок эксплуатации и прочность железобетонных конструкций, применяемых в строительстве. Одним из циклов работы конструкций является их ремонт или реконструкция, которые могут включать усиление элементов. Поиск возможных вариантов усиления строительных конструкций, например, колонн углепластиковыми ламелями, актуален.
Ключевые слова: конструкция, колонна, сооружение, полимерный композиционный материал, ламель, углепластик, оптимальность.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ данных, приведенных в открытой печати, показывает, что в настоящее время актуальной является проблема ремонта и восстановления несущей способности
железобетонных конструкций, которая невозможна без их усиления. В последнее время необходимость усиления возникает уже в процессе строительства [1]-[4]. Традиционные типы усиления железобетонных конструкций - стальными и
железобетонными обоймами и рубашками - в настоящее время уступают место современным методам усиления композитными материалами. Особенно это касается материалов на основе углеродных волокон, поставляемых в виде ткани или полос - ламинатов [5]-[10]. Среди углепластиков наиболее широко в системах внешнего армирования используются продукция фирм «Basf» (рис. 1), «Дон-композит», «FibArm» и «S&P Clever Reinforcement» холдинговой компании «Композит», а также системы структурного
усиления на основе углепластика «Sika Carbo Dur System» фирмы «Sika».
Рис. 1. Углеламинат фирмы «Basf».
Fig. 1. Carbonate of the firm "Basf".
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель исследования - это определение зон для усиления конструкции колонны углепластиковыми ламелями.
Методика и результаты исследования
Композитные материалы в качестве внешнего армирования могут использоваться при усилении практически для всех типов железобетонных конструкций.
В наименьшей степени изучены сжатые железобетонные элементы, которые в зависимости от величины эксцентриситета приложения нагрузки могут испытывать три вида напряженно -деформированного состояния:
- сжатые элементы со случайным эксцентриситетом, при е0=0 или условно центрально сжатые;
- внецентренно-сжатые железобетонные элементы с малым эксцентриситетом при ео<0,15А;
- внецентренно-сжатые железобетонные элементы с большим эксцентриситетом при ео>0,3А.
С учётом изложенного, можно сказать, что при е0=0 - все сечение элемента, равномерно сжато. При малых эксцентриситетах, грань стоек, противоположная точке приложения нагрузки, сжата уже неравномерно; при больших значениях эксцентриситета eo>h четко возникают сжатая и растянутая грани. Следовательно, меняются и методы внешнего армирования а именно, - усиление колонн в поперечном или продольном направлениях.
Естественно, что растянутую конструкции невозможно усилить установкой обоймы из композиционных материалов [11]. Зато в этом случае рационально усиление колонны приклеиванием полос из композиционного материала в растянутой зоне сечения аналогично изгибаемым элементам. При этом, чем больше эксцентриситет приложения нагрузки при неизменном армировании, тем большая часть сечения бетона будет работать на растяжение. Естественно, эффективность усиления колонн обоймами из композиционных материалов при этом снижается.
При увеличении этажности здания, особенно при неполном каркасе, когда вышерасположенная нагрузка передается по оси колонны или со случайным эксцентриситетом, наиболее эффективной становится обойма. Вместе с тем, в ряде случаев внецентренно сжатые железобетонные конструкции можно усилить приклеиванием полос композиционного материала к растянутой грани элемента в сочетании с поперечными хомутами (рис. 2,а).
а). б).
г— "^ШЩ^Ш
1
Рис. 2. Внешний вид полос из углеламината, наклеенных на растянутой (а) и сжатой (б) гранях опытных образцов
на этапе, предшествующем разрушению. Fig. 2. Appearance of strips of carbon laminate glued on the stretched (a) and compressed (b) on the surfaces of the experimental samples on stage prior to destruction.
Опыты показали, что особенно эффективна будет установка узких полос или круглых стержней из полимерных композиционных материалов в пазах, прорезанных в защитном слое бетона, так как в этом случае наиболее полно используется высокая прочность композиционного материала на растяжение и исключается возможность его отслоения от усиливаемой конструкции (рис. 2,б). При этом вклеенные сжатые элементы не теряют устойчивость вплоть до разрушения бетона.
Обычно усиление проводят приклеиванием полос только в одном радиальном направлении или в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Второй вариант усиления часто используется для усиления безбалочных перекрытий. При усилении колонн также возможно комбинированное усиление, например, когда ламели приклеиваются в продольном направлении, а холсты в виде хомутов в радиальном. Однако, смыл такого армирования в корне отличается от внешнего армирования изгибаемых элементов.
Всё вышеизложенное хорошо прослеживается в работах [10, 11]. с использованием коротких
(= 10) и гибких (= 20) элементов.
Усиление колонн авторы исследования выполняли углепластиковыми ламелями - полосами шириной 50мм и толщиной 1,2 мм и холстами из углеткани. Использовались различные варианты усиления: полные обоймы, обоймы с разрывами, хомуты различной ширины и шага, а также продольное усиление растянутой, сжатой либо обеих граней стоек с использованием углеламинатов.
а).
б).
в).
Рис.3. Внешний вид гибкой колонны под нагрузкой, усиленной двумя углепластиковыми ламелями со стороны растянутой грани в сочетании с поперечными хомутами разной ширины: а - продольный изгиб: сжатая (б) и растянутая (в) грани колонны. Fig.3. Appearance of the flexible column under the load, reinforced with two carbon fiber lamellas from the side of the
stretched face in combination with cross-section yokes of different widths: a - longitudinal bending: compressed (b) and stretched (c) surfaces of the column.
а).
б).
в).
Рис.4. Внешний вид короткой колонны под нагрузкой,
усиленной двумя углепластиковыми ламелями со стороны растянутой грани в сочетании с поперечными хомутами разной ширины: а - продольный изгиб: сжатая
(б) и растянутая (в) грани колонны. Fig.4. Appearance of a short column under a load reinforced with two carbon fiber lamellas from the side of the stretched face in combination with cross-section clamps of different widths: a - longitudinal bending: compressed (b) and stretched (c) surfaces of the column.
Поведение образцов под нагрузкой представлено на рис. 3 и 4. Применялось и комплексное усиление, когда на продольные элементы усиления наклеивались хомуты, чтобы избежать отслаивания внешней продольной арматуры как от растянутой, так и сжатой граней. Особенно это актуально для изгибаемых элементов.
Учитывая, что испытание сжатых образцов осуществлялось при трех значениях осевого эксцентриситета: е0=0; e0=0,16h; eo=0,32h, удалось
про следить различные виды напряженно-деформированного состояния элементов и оценить важность конструктивных хомутов при наличии внешнего продольного усиления.
Особое внимание должно уделяться наличию поперечных хомутов по торцам продольных элементов, которые обеспечивают их анкеровку. При этом важна жесткость этих хомутов, которые должны иметь ширину не мене 100 мм и состоять не менее чем из трех слоев.
Следует обратить внимание и на тот факт, что усиление сжатой зоны стоек продольными элементами не является эффективным, так как при нагрузке равной примерно 0,8Мл, т.е. предельной нагрузки, углепластиковые полосы разрушались от местного выпучивания между хомутами. Последнее наглядно видно на рис. 4,б.
Несмотря на изложенное, использование композитного усиления становится всё актуальнее. Расширяется и область их использования.
В частности, применение полимерных композиционных материалов, в том числе углепластиковых ламелей, возможно при усилении сооружений, расположенных в сейсмических районах. Это важно в связи с повышением се йсмической активностью в мире [12].
Стоит отметить и важность усиления мостовых конструкций, нагрузка на которые увеличилась. Это важно потому, что в настоящее время охватить весь объем финансирования на строительство новых или капитальных ремонт старых - не реально. Поэтому вопросы усиления данных конструкций является также актуальными, так как время и материальные ресурсы, затраченные на реконструкцию полимерными композиционными материалами, уменьшаются.
Не менее важна в настоящее время проблема ремонта и усиления сборных конструкций силосов и их днищ, из которых состоят эти сооружения [13, 14]. При усилении таких конструкций предлагается использовать углепластиковые ламели,
установленные в радиальном и продольном направлениях.
Увеличение объемов использования высокопрочных бетонов ставит и новые задачи по исследованию усиленных конструкций с использованием композитных материалов.
Важность постановки этого вопроса связана с необходимостью повышения надежности сцепления клеевого состава с поверхностями высокопрочного бетона и композитного материала. Известно, что поверхности углепластиковой ламели разные: одна - гладкая и другая - шероховатая, которая приклеивается к бетонной поверхности. Но этого не достаточно для увеличения сцепления в зоне контакта клеевого состава. При определенных условиях происходит отрыв полосы, поэтому предлагается шероховатую поверхность сделать рифленой. Обычно рифление на элементах конструкций из полимерных композиционных делают в продольном и перпендикулярном направлении относительно длины детали [15]-[19]. Накатывание рифлений осуществляют как методом
холодной штамповкой (например, в поперечном направлении), так в процессе формования методом горячей прокатки (например, в продольном направлении).
Для более прочного соединения полосы и бетонного основания предлагается изменить направление гребней рифления, сделать их отличными от прямых непрерывных линий (рис. 5).
а).
б).
в).
г).
Рис. 5. Форма расположения гребней для рифленых полос: а - дискретно, вдоль полосы; б - в разбежку под углом к продольной оси; в - под углом симметрично к продольной оси; г - криволинейные сплошные гребни в продольном направлении.
Fig. 5. The location of the ridges form of corrugated strips a - discretely, along the strip; b - in the runoff at an angle to the longitudinal axis; в - at an angle symmetrically to the longitudinal axis; d - curvilinear continuous ridges in the longitudinal direction.
Гребни можно располагать дискретно как симметрично, так и в шахматном порядке, под углом или в виде криволинейных линий
Для изготовления рифлений такой формы необходимо установить подвижное приспособление в формовочную головку оборудования. Высота гребня не должна превышать 1 мм, т.е. сопоставима с толщиной клеевого слоя.
Применение рифленых ламелей с гребнями более сложной формы в зоне контакта с приклеиваемой поверхностью конструкции создает на наш взгляд структуру более прочных связей на границе раздела «полоса из углепластика - бетонное основание». Исследования в этом направлении должны быть продолжены, так как указанный подход содействует улучшению технологических и эксплуатационных свойств ламелей и делает более эффективным усиление строительных конструкций.
К изложенному добавим и тот факт, что при минимальном весе и простоте технологии усиления применение композитных материалов позволяет увеличить несущую способность и сроки эксплуатации железобетонных конструкций, применяемых в строительстве. Выводы и направления дальнейших исследований
Применение композиционных материалов позволяет увеличить срок эксплуатации и прочность железобетонных конструкций, применяемых в строительстве. Железобетонные элементы конструкций в виде колонн, балок, перекрытий повсеместно применяются в конструкциях зданий и сооружений промышленного и гражданского строительства.
В подавляющем большинстве случаев колонны служат опорами для других элементов сооружений, например, ригелей, плит перекрытий, прогонов, балок. Одним из циклов работы конструкций является их ремонт или реконструкция, которые могут включать усиление элементов. Хотя в последнее время необходимость усиления конструкций возникает еще в процессе возведения здания.
Поиск возможных вариантов усиления строительных конструкций, например, колонн углепластиковыми ламелями, актуален.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маилян Р.Л., Маилян Д.Р., Веселев Ю.А.. Строительные конструкции [Текст] : учебное пособие - Ростов-на-Дону: Феникс, 2008. - 875 с.
2. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы, Механика и технология [Текст] Москва : Техносфера, 2004. -408с.
3. Польской П.П., Маилян Д.Р. Об уточнении расчетов прогибов балок, усиленных композитными материалами [Текст] //Научное обозрение, 2014. - № 12.- С.493-496.
4. Польской П.П., Мерват Хишмах, Михуб Ахмад. О возможности использования круглых углепластиковых стержней в качестве рабочей арматуры для изгибаемых элементов [Текст] //Научное обозрение, 2012. - № 6.- С.211-213.
5. Маяцкая И.А., Федченко А.Е., Усиление конструкций архитектурных памятников с помощью полимерных композиционных материалов [Текст]// Международный научно-исследовательский журнал.- Екатеринбург, 2017.- № 05(59), Часть 1. - С. 58 - 61
6. Demchenko D.B., Mayatskaya I.A., Fedchenko A.E. Strengthening of building structures with polymer composite materials [Text] // Solid State Phenomena, 2017. - 265 SSP.- P.91-96.
7. Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций [Текст]// Бетон и железобетон, 2001, №6, С.17-20;2003, №1, С.25-29.
8. Маилян Д.Р., Польской П.П. О расчете ширины нормальных трещин балок, усиленных стекло- и углепластиком [Текст] //Научное обозрение, 2014. - № 12.- С.490-493. Польской П.П., Маилян Д.Р., Мерват Хишмах, Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры [Электронный ресурс] //Инженерный вестник Дона, 2013, №4 - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094
Маилян Д.Р., Польской П.П., Георгиев С.В. Конструкция каркасов и схемы испытания опытных стоек, усиленных углепластиком [Текст] // Научное обозрение, 2014. - № 10, ч.3.- С. 667-670.
9. Польской П.П., Георгиев С.В. О программе исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами на основе углепластика [Текст] // Научное обозрение, 2014. -№ 10, ч.3.- С. 662-666.
10. Грановский А.В., Костенко А.Н., Молчанов А.Л. Усиление железобетон- ных колонн каркасных зданий в сейсмоопасных районах с использованием элементов внешнего армирования из углеволокна [Текст]// «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений», 2007, №2, С.36-38.
11. Zagutin D.S., Mayatskaya I.A., Fedchenko
A.E. Strengthening of the mini silo construction made of reinforced concrete blocks with carbon fiber lamellae [Text] // Solid State Phenomena, 2017. - 265 SSP.-P.86-90.
12. Маяцкая И.А., Еремин В.Д., Федченко А.Е. Сборные железобетонные конструкции и их усиление полимерными композиционными материалами [Текст]// Инновационные технологии при решении технических задач: сб. ст. междунар. науч. -практ. конф., 5 сентября.-Волгоград: АЭТЕРНА, 2017. - С. 37 - 39
13. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов
B.В., Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов [Текст] СПб.: Профессия, 2004. -464с.
14. Новиков А.Ф. Полимерные материалы для строительства [Текст] М.: Высш. шк., 1995. -448с.
15. Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции [Текст] М.: Химия, 1983. -416с.
16. Шалун Г.Б., Сурженко Е.М. Слоистые пластики [Текст] Л.: Химия, 1978. -232с.
17. Зубов П.И., Сухарева Л.А. Структура и свойства полимерных покрытий [Текст] М.: Химия, 1982. -256с
REFERENCES
1. Mailyan R.L., Mailyan D.R., Vesylev Yu.A. Building structures [Text]. Rostov-on-Don: Phoenix. 2008. 875 p. (In Russian)
2. Matthews F., Rawlings R. Composite Materials, Mechanics and Technology [Text]. Moscow: Technosphere. 2004. 408 p. (In Russian)
3. Polskoy P.P., Mailyan D.R. On the refinement of calculations of deflections of beams reinforced with composite materials [Text]. // Scientific Review. 2014. N 12. pp. 493-496. (In Russian)
4. Polskoy P.P., Mervat Hishmah, Mihub Ahmad. On the possibility of using round carbon-fiber rods as a working armature for bent elements [Text]. // Scientific Review. 2012. N 6. pp. 211-213. (In Russian)
5. Mayatskaya I.A., Fedchenko A.E. Strengthening of architectural monuments structures using polymer composite materials [Text ].//
International research journal. 2017. N 05(59), Part 1. pp. 58 - 61. (In Russian)
6. Demchenko D.B., Mayatskaya I.A., Fedchenko A.E. Strengthening of building structures with polymer composite materials [Text] // Solid State Phenomena, 2017. - 265 SSP.- pp.91-96.
7. Khayutin Yu.G., Chernyavsky V.L., Axelrod E.Z. The use of carbon fiber reinforced plastics for strengthening building structures [Text]. // Concrete and Reinforced Concrete. 2001. N 6. pp. 17-20., 2003. N 1. pp. 25-29. (In Russian)
8. Mailyan D.R., Polskoy P.P. On calculating the width of normal cracks of beams reinforced with glass and carbon plastic[ Text]. // Scientific Review. 2014. N 12. pp. 490-493. (In Russian)
9. Polskoy P.P., Mailyan D.R., Mervat Khishmakh, Kurgin K.V. On deformability of bent elements from heavy concrete with double-row arrangement of carbon-plastic and combined reinforcement // Engineering messenger of the Don. 2013. N 4. Access mode: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094 . (In Russian)
10. Mailyan D.R., Polskoy P.P., Georgiev S.V. Frame constructions and test circuits for experimental racks reinforced with carbon fiber reinforced plastic [Text].// Scientific Review. 2014. N 10,Part 3. pp. 667-670. (In Russian)
11. Polskoy P.P., Georgiev S.V. About the study of compressed concrete elements reinforced composite materials based on carbon fiber [Text]. // Scientific Review. 2014. N 10, Part 3. pp. 662-666. (In Russian)
12. Granovsky A.V., Kostenko A.N., Molchanov A.L. Strengthening of reinforced concrete columns of frame buildings in seismically dangerous areas using elements of external reinforcement from carbon fiber [Text]. // Seismic resistant construction. Security of buildings. 2007. N 2. pp. 36-38. (In Russian)
13. Zagutin D.S., Mayatskaya I.A., Fedchenko A.E. Strengthening of the mini silo construction made of reinforced concrete blocks with carbon fiber lamellae [Text] // Solid State Phenomena, 2017. - 265 SSP.-P.86-90.
14. Mayatskaya I.A., Eremin V.D., Fedchenko A.E . Prefabricated reinforced concrete structures and their reinforcement with polymer composite materials [Text]. // Proceedings of the International conference. innovative technologies in solving technical problems. September 5. Volgograd. 2017. pp. 37 - 39. (In Russian)
15. Kryzhanovskiy V.K., Kerber M.L., Burlov V.V., Panimatchenko A.D. Manufacture of plastic products [Text]. St. Petersburg: Profession. 2004. 464 p. (In Russian)
16. Novikov A.F. Polymeric materials for construction [Text]. Moscow: High school. 1995. 448 p. (In Russian)
17. Chernin I.Z., Smekhov F.M., Zherdev Yu.V. Epoxy polymers and compositions [Text]. Moscow: Chemistry. 1983. 416 p. (In Russian)
18. Shalun G.B., Surzhenko E.M. laminates [Text]. Moscow: Chemistry. 1978. 232 p. (In Russian)
19. Zubov P.I., Suhareva L.A. Structure and properties of polymer coatings [Text]. Moscow: Chemistry. 1982. 256 p. (In Russian)
APPLICATION OF CARBON PLASTIC LAMELLAS WITH THE STRENGTHENING OF CIVIL
STRUCTURES
Mayatskaya I.A., Polskoy P.P., Georgiev S.V., Fedchenko A.E.
Annotation. The article discusses possible options for increasing the strength of reinforced concrete structures using composite materials. One of cycles of work of reinforced concrete designs is their strengthening which is the state of their repair or reconstruction of buildings, including the stages of strengthening the elements. Traditional types of reinforced concrete structures are steel and reinforced concrete clips and shirts. In recent years, this method in some cases recedes into the background. Increasing the use of modern methods of strengthening using composite materials, including the slats. However, many issues related to the reinforcement of structures have not been studied so far. This is especially true of structures made of high-strength concrete. In this regard, it is necessary to study the work and methods of calculation of structures, in particular compressed pillars made of high-strength concrete and reinforced with carbon-fiber lamellas taking into account their real stress-strain state and establishing areas of their most rational use. It is to these issues that insufficient attention has so far been paid.
Subject: Modern methods of strengthening reinforced concrete structures with composite materials are considered. For example, materials based on carbon fibers, supplied in the form of fabric or laminates. It is necessary to carry out experimental studies to determine the zones for strengthening the structure of the column with carbon fiber lamellae.
Materials and methods: Modern methods of reinforcement with composite materials based on carbon fibers are considered.
Results: We consider carbon fiber lamellae. The zones of their location are determined experimentally. Conclusions: The use of composite materials allows to increase the service life and strength of reinforced concrete structures used in construction. One of the cycles of the work of structures is their repair or reconstruction, which may include strengthening elements. Search for possible options for strengthening building structures, for example, columns with carbon fiber lamellas, is relevant.
Key words: structure, column, structure, polymeric composite material, lamellas, carbon plastic, optimality.
