Расчет изгибаемых конструкций усиленных композитами на основе углеродного волокна Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Клюев С. В., канд. техн. наук, доц., докторант Лесовик Р. В., д-р техн. наук, проф., Рубанов В. Г., д-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

РАСЧЕТ ИЗГИБАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ УСИЛЕННЫХ КОМПОЗИТАМИ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Klyuyev@yandex.ru

В статье рассмотрены вопросы усиления изгибаемых конструкций композитами на основе уг-леволокна. Представлена методика расчета изгибаемых конструкций усиленных композитами на основе углеволокна.

Ключевые слова: усиление, изгибаемые конструкции, углеродное волокно.

Введение

Применение композиционных материалов в строительстве определено их эксплуатационными характеристиками. В сравнении с классическими материалами, композиты выигрывают по ряду параметров, они более прочные и долговечные, более легкие.

С развитием технологий изготовления композиционных материалов, производство их становится все более дешевым, что позволяет благодаря увеличенному сроку эксплуатации материалов добиться также снижения стоимости проекта, учитывая обслуживание и ремонт объектов.

Применение композитных материалов имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами усиления:

- высокая прочность при растяжении;

- коррозионная стойкость;

- простота применения;

- высокая усталостная прочность;

- отсутствие размерных ограничений.

Композиционные материалы на основе уг-

леволокна могут быть использованы при ремонте и реконструкции мостов, путепроводов, тоннелей, резервуаров, подпорных стен, конструкций промышленных и общественных зданий, а также при проектировании новых строительных объектов [2].

Армированные волокном композиционные материалы, в зависимости от их состава и структуры, могут обеспечить самую высокую среди всех прочих материалов несущую способность, в частности, гораздо более высокую, чем у стали. У этого материала очень высокая удельная прочность. Еще одно важное достоинство таких армированных волокном синтетических смол -это их влагостойкость. Это обусловлено тем, что восприимчивость к влаге представляет собой очень серьезную проблему для всех других конструкционных и строительных материалов, будь то сталь, бетон или древесина: сталь ржавеет, бетон растрескивается, древесина гниет. Все эти

процессы крайне негативно влияют на прочностные характеристики сооружений.

Композиционные материалы будут все больше и больше использоваться как материал в наземном строительстве. Ремонт мостов (углеродная ткань, ламели), строительство вантовых мостов (ванты), армирование сооружений в сей-смоопасных регионах, усиление высотных сооружений и сложных инженерных конструкций. Учитывая многочисленные преимущества: легкость конструкции, долговечность эксплуатации, не подверженность коррозии, экологич-ность, большая свобода для проектирования; становится очевидной потребность России в композиционных материалах отечественного производства [3, 4].

Основным достоинством материалов является высокая удельная прочность (коэффициент конструктивного качества), отношение прочности к плотности, благодаря этому получают очень эффективные конструкции.

Успех применения композитных материалов для усиления строительных конструкций зависит не только от выбора эффективных композитов, но в значительной мере, от разрешения проблем совместности их работы с восстанавливаемой или усиливаемой конструкцией. Это связано с выбором материалов и технологий для ремонта деструктивной поверхности железобетона, обеспечивающих их высокую адгезию в подложке. Этот ремонтный слой, в свою очередь, должен быть надежным основанием для приклейки усиливающих композитных материалов и работать с ними совместно. Подготовка железобетонной конструкции к ремонту и последующему усилению должна включать мероприятия по блокированию коррозии арматуры, которая, как правило, развивается при первых признаках деструкции. Без этого, образующиеся продукты коррозии будут отрывать защитный слой из ремонтных материалов, что сведет на нет работы по наклейке композитов.

Система предусматривает использование материалов и технологии ремонта, обеспечивающих остановку и предотвращение дальнейшего развития коррозии арматуры и бетона, надежное сцепление ремонтных составов со старым бетоном, повышенную водонепроницаемость, морозостойкость и химическую стойкость. К числу таких материалов относятся: пе-нетрирующие ингибиторы коррозии арматуры; специальные латексные эмульсии для повышения сцепления со старым бетоном; полимерце-ментные сухие смеси с быстрым набором прочности; защитные покрытия для предотвращения проникновения ионов хлора; низковязкие эпоксидные составы для ремонта трещин и специальные эпоксидные компаунды для ремонта конструкций в условиях повышенной влажности и под водой [5].

В систему ремонта входит также усиление конструкций. Усиление конструкций осуществляется путем внешнего армирования особо высокопрочными тканями из углеродных и специальных стеклянных волокон на эпоксидном связующем. Армирующие элементы создаются наклейкой соответствующих тканей на отремонтированную поверхность специальными эпоксидными составами, обеспечивающими надежное сцепление с бетоном и ремонтными материалами.

На сегодняшний день усиление бетонных и железобетонных конструкций углеродными лентами широко применяется в Европе.

1. Расчет усиления углеродными лентами конструкций работающих на изгиб

При подборе площади сечения внешней арматуры из углеродных волокон нельзя допускать превышения граничных процентов армирования, установленных в СП 52-101-2003 [1]. Расчет по прочности нормальных сечений следует производить в зависимости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны бетона ^ = х / И0, определяемым из соответствующих условий равновесия, и значением граничной относительной высоты сжатой зоны , при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в рас-

тянутой стальной арматуре напряжения, равного расчетному сопротивлению

Значение граничной высоты сжатой зоны определяют по формуле 6.11 [1]:

£ = =-ья ,

0,8

(1)

1 + -

где е1 - относительная деформация растянутой арматуры при напряжениях, равных Я^

£ъ иЫ - относительная деформация сжатого

бетона при напряжениях, равных Яъ , принимаемая равной 0,0035.

Значение граничной относительной высоты сжатой зоны бетона с учетом углеродной ленты ¡Я определяют по формуле [5]:

„ _ ХяЯ_ - _ ®

^ ~ И ~

1-

Я

и

вЪи1Е/

1 -

ю

1,1

(2)

где Я/и - расчетная прочность внешнего армирования углеродной лентой принимаемая по следующей формуле Я^и < Еу-8и (где - предельное значение относительной деформации удлинения углеродной ленты; Е - модуль упругости углеродной ленты);

со - характеристика сжатой зоны бетона,

принимается равным а = 0,85 — 0,008ЯЪ (где Яъ

- расчетное значение сопротивления бетона сжатию для предельных состояний первой группы);

£ш - предельная относительная деформация бетона принимается равным еЪ0 для непродолжительного действия нагрузки и еЪ2 для продолжительного. Значения предельных относительных деформаций бетона принимают равными при непродолжительном действии нагрузки: еЪо = 0,002 - при осевом сжатии; £^0=0,0001 -при осевом растяжении; при продолжительном действии нагрузки по табл. 1 в зависимости от относительной влажности окружающей среды [1].

Таблица 1

Значения предельных относительных деформаций бетона

Относительная влажность воздуха окружающей среды. % Относительные деформации бетона при продолжительном действии нагрузки

При сжатии При растяжении

6ЪО-103 6Ъ2'103 &Ъ1.ге11'10 6ъо-103 еъй'103 &Ы1,геа'10Ъ

Выше 75 3,0 4,2 2,4 0,21 0,27 0,19

40-75 3,4 4,8 2,8 0,24 0,31 0,22

Ниже 40 4,0 5,6 3,4 0,28 0,36 0,26

При усилении углеродной лентой отношение Я/и / Е, представляет собой предельную от-

носительную деформацию при растяжении. В большинстве случаев она находится в диапазоне

0

(0,3 - 1%). Это больше, чем деформация текучести стали я, /Е, (0,2%), и поэтому £я/ будет меньше, чем

Расчет по прочности сечений изгибаемых элементов, усиленных углеродной лентой, производят из условия:

М < М,

иЫ'

(3)

где Ыиц - предельный изгибающий момент, который может быть воспринят сечением элемента.

Для сечения, симметричного относительно плоскости действия момента и дополнительном армировании композитными материалами, расположенном на грани элемента расчетное условие прочности записывается в виде:

М <// + ВД + я,Ас, (4) где о/ - напряжение в арматуре из углеродной ленты; Sf - статический момент площади сечения углеродной ленты; я, - расчетная прочность стержневой арматуры растяжению; - статический момент площади сечения растянутой

стержневой арматуры; я,с - расчетная прочность стержневой арматуры сжатию; Ssс - статический момент площади сечения сжатой стержневой арматуры.

Высоту сжатой зоны находят, используя уравнение равновесия:

яъЛъ + - ял - <ГГЛГ = о, (5)

где Ль - площадь сечения сжатого бетона; Л', -площадь сечения сжатой стержневой арматуры; Л/ - площадь сечения арматуры из углеродной ленты.

Высота сжатой зоны х при разрушении усиленного сечения по арматуре и углеродной ленте (^ < < ) определяется из выражения:

х =

Я/иЛ/

ял - я,Л

яъь

(6)

где Ъ - ширина сечения. Тогда значение Миц может быть найдено следующим образом:

Мии = Л/Я/и (И - 0,5 х) + Л,Я, (ко - 0,5 х) + Л' с (0,5 х - а') .

(7)

Высота сжатой зоны х при разрушении бетона сжатой зоны усиленного сечения и достижения в растянутой и сжатой стержневой арма-

туре напряжений, равных пределу текучести, определяется из выражения:

х =

// + ЯЛ - я,Л

ЯъЪ

при

(8)

тогда предельный изгибающий момент равен:

Мии = Лгаг (И - 0,5х) + ЛЛ (И0 - 0,5х) + Л\я (0,5х - а'),

(9)

где я \ - расчетная прочность стержневой арма- достигли предельных, а прочность бетона сжатой зоны исчерпана и напряжения в сжатой

туры растяжению; а' - расстояние от равнодействующей усилия в сжатой стержневой арматуре до сжатой грани элемента.

В случае, если напряжения в растянутой стержневой арматуре и в углеродной ленте не

стержневой арматуре достигли предела текучести, высота сжатой зоны определяется из выражения:

х =

а/Л/ + &Л - я яъЪ

при

4/ <£я

тогда предельный изгибающий момент:

Мш = Л^ (И - 0,5х) + Лъ (И0 - 0,5х) + Л\я (0,5х - а')

Напряжения в углеродной ленте и стержневой арматуре могут быть найдены из выражений

(12) и (13) [3]:

^ = * 1 - и

ю

I

-1

(10)

(11) (12)

=

Sbu1 Ef

1 -

ю 1,1

( \ Ю 1

vv J

SbiEf ,

(13)

где и - относительная высота сжатой зоны бетона с учетом углеродной ленты.

При расчете рекомендуется высоту сжатой зоны находить итерационно. На первом этапе принимается высота сжатой зоны, полученная из выражения (6). Затем вычисляются напряжения в стержневой арматуре и углеродной ленте по выражениям (12) и (13) и проверяется равновесие внутренних сил. Если оно не выполняется, то высота сжатой зоны должна быть скорректирована. Расчет повторяется заново до тех пор, пока равновесие внутренних сил не будет выполнено.

Такой порядок рекомендуется и в тех случаях, когда из первого этапа расчетов получается, что сечение переармировано (Е, > Е,к). Введение в уравнение равновесия на втором этапе напряжения в композите, полученного по выражению (13), приведет к значительному уменьшению высоты сжатой зоны. На следующем этапе значение х следует принять как среднее арифметическое от первых двух и повторить расчет. Практика показывает, что уже на 4-й итерации можно добиться удовлетворительного результата ( ~ 5%).

После подбора площади сечения арматуры из углеродной ленты необходимо проверить напряжения и деформации в ней, которые не должны превышать предельно допустимых величин Я-и или 8и. Это условие соблюдается,

когда фактическая относительная высота сжатой зоны бетона £ меньше граничной £Я/.

По окончании расчетов усиленного нормального сечения необходимо провести проверку обеспечения несущей способности по наклонным сечениям.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. Москва 2004.

2. Клюев С.В. Усиление строительных конструкций композитами на основе углеволокна: монография / С.В. Клюев, А.В. Клюев, Р.В. Лесовик. - Lambert, 2011. - 123 с.

3. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: Научное издание / В. С. Лесовик. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. - 526 с.

4. Лесовик В. С. Композиционные вяжущие с использованием высокомагнезиальных отходов Ковдорского месторождения / В.С. Лесовик, М.С. Шейченко, Н.И.Алфимова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - №1. - С. 10 - 14.

5. Чернявский В. Л. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами / В.Л. Чернявский, Е.З. Аксельрод // Жилищное строительство. - 2003. - №3. - С. 15 - 16.