CC BY
87
THE EFFECT OF THE RATIO OF THE ELASTIC MODULES OF THE "GRAVITY CONCRETE DAM - FOUNDATION" SYSTEM UPON STRESS CONCENTRATION
IN THE CONTACT ZONE, AND DISPLACEMENTS OF ADJACENT DAM
SECTIONS
Volkov V.I., Golyshev A.I., Uchevatkin A.A., Dmitriev D.S.
The effect of the ratio of the elastic module of the "gravity concrete dam - foundation" upon stress concentrations occurring in the contact zone, and displacement on adjacent sections are considered by means of modern CAD FEM software package.
Keywords: safety of concrete dams, stress concentration, vertical and horizontal displacement of dam, FEM.
разработка методики расчета прочности железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных посредством внешнего армирования на основе композитных материалов,
О.Д. РУБИН, доктор технических наук*,
С.Е. ЛИСИЧКИН, доктор технических наук**,
А.В. АЛЕКСАНДРОВ, инженер***,
О.А. СИМАКОВ, кандидат технических наук****
* АО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» (АО «НИИЭС»), 125362, Москва, Строительный проезд, д. 7А, [email protected] ** ООО «Инженерный центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике» (ООО «ИЦСКТЭ»), 125362, Москва, ул. Свободы, д.35, [email protected] ***АО "Институт Гидропроект"
125993, Москва, Волоколамское шоссе, дом 2, [email protected] ****АО «Препрег- СКМ»
109316, Москва, Волгоградский пр-т, д. 42, корп. 5, [email protected]
Для обоснования применения внешнего армирования композитными материалами при усилении железобетонных конструкций гидротехнических сооружений проведен комплекс исследований. В том числе разработана методика расчета прочности железобетонных конструкций гидросооружений, усиленных внешним армированием на основе композитных материалов, при действии поперечных сил. В целях экспериментального обоснования разработанной методики расчета были проведены исследования прочности моделей железобетонных конструкций ГТС, усиленных посредством внешнего армирования на основе углеродных лент и углеродных композитных ламелей, при действии поперечных сил (совместно с изгибающими моментами).
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гидротехнические сооружения; железобетонные конструкции; ремонт; усиление; реконструкция; внешнее армирование; композитные материалы; углеродное волокно; методика расчета прочности; поперечные силы; изгибающие моменты. ; экспериментальные исследования.
В настоящее время проводятся комплексные исследования для обоснования применения композитных материалов при ремонте, усилении, реконструкции железобетонных конструкций гидротехнических сооружений [1].
В том числе разработана методика расчета прочности железобетонных конструкций ГТС, усиленных посредством внешнего армирования на основе композитных материалов, при действии поперечных сил.
при действии поперечных сил
При разработке вышеуказанной методики были учтены характерные особенности железобетонных конструкций ГТС. Массивные железобетонные конструкции ГТС характеризуются значительными габаритами (более 1 м); применением бетонов и арматуры невысоких классов; невысокими процентами армирования (менее 1%); особым характером трещинообразования (в том числе, наличием магистральных трещин); наличием межблочных строительных швов; воздействием водной среды, включая противодавление воды в раскрывшихся трещинах и межблочных швах.
Также были учтены положения отечественных нормативно-методических документов по проектированию железобетонных конструкций гидросооружений [2, 3, 4, 5, 6], отечественный и зарубежный опыт исследований прочности железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами [1, 7, 8, 9, 10].
В соответствии с разработанной методикой условие прочности при действии поперечных сил имеет вид:
УсУпО ^ Ус sw + '^ysRswAs,mc а + уЬт Qb + ) (1)
где Q - поперечная сила, действующая в наклонном сечении, т.е. равнодействующая всех поперечных сил от внешней нагрузки, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения;
^ysRswAsw + sRswAs,inc а - суммы поперечных усилий, воспринимаемых соответственно хомутами и отогнутыми стержнями, пересекающими наклонное сечение. Расчетная схема изображена на рис. 1.
Поперечное усилие, воспринимаемое бетоном сжатой зоны в наклонном сечении, определяется по формуле:
° = Ф2Ф3У, (2)
где ф2 = 0,5 + 2; ф3 = 1,0 - для элементов с высотой сечения h < 0,6 м; 0,83 - для элементов с высотой сечения h >= 0,6 м; yJ - коэффициент, учитывающий влияние строительных швов в зоне действия поперечных сил, принимаемый по таблице 1.
Таблица 1. Значение коэффициента у
¡/И, 0,45 и меньше От 0,46 до 0,64 0,65 и выше
7, 1.0 1-[(//И)-0.45] 0.80
Обозначения, принятые в табл. 1: ¡- - расстояние между сечением по шву и нормальным сечением, проходящим через конец наклонного сечения в сжатой зоне; И, - высота сечения по шву.
Прочность бетона при растяжении Rьt в сечении, совпадающем с контактным строительным швом, принимается с коэффициентом равным 0,5 (то есть снижается в 2 раза).
С учетом вышесказанного зависимость (2) для поперечного усилия ОШ , воспринимаемого бетоном в зоне поперечного строительного шва, приобретает вид:
ОШ = 0,5^2^зУ 0 1В 3 . (3)
Относительная высота сжатой зоны сечения $ определяется по формулам: для изгибаемых элементов:
£, = ^Ж,; (4)
для внецентренно сжатых во всех случаях и внецентренно растянутых элементов с большим эксцентриситетом:
с ult R,. Л (hh ¡1).
Sw Sw , Sw
(5)
Qb +Qsw+Qfi
Рис. 1. Схема усилий при расчете железобетонных элементов с внешним армированием из полимерных композитов по наклонному сечению на действие поперечных сил
Для внецентренно растянутых элементов с малым эксцентриситетом следует принимать Qb = 0. Угол между наклонным сечением и продольной осью элемента определяется по формуле:
tgв = 2/[1 + М/^о)].
(6)
а)
i_n
150
350
350
Р
150
2 012 А 5 0 0 С
/// //////
. 2^10 Д500C ffMwi 1000_
206 А500С
20Ь А500Г хомут
1 г • / 'S Ы;
-г 150 ,
206 А50ОС
06 А500Г хомут
2012 А500С
■Ч. 2010 A50UI
б)
30 2С
150
350
350
, 150
Р
'1.
206 А500С
206 А500С
хомут
///'//////
,3012 А500С
1000
/// //////
, 150
206 A50IJL
Ф6 А500С
хомут
3012 А500С
Рис. 2. Конструкция, схемы армирования и схемы испытаний железобетонных балок-моделей из бетона В15 (а) и В25 (б) на действие поперечной силы (совместно с изгибающим моментом)
Значение tgß принимается не более 1,5 и не менее 0,5; Qfw - поперечное усилие, воспринимаемое внешним армированием, определяется по формуле:
Qfw = V fAf sh° fu , (7)
где tyf - коэффициент, зависящий от схемы наклейки хомутов; Af,sh - расчетная площадь хомутов внешнего армирования, определяется по формуле:
Af,sh = 2nt fsw sin « ;
- расчетное напряжение во внешнем армировании, определяемое по форму/еЕ ^ ; £'г - модуль упругости внешнего армирования; е^ - расчет-
ле: и
fu
= S
ные деформации внешнего армирования, принимаются равными 0,0035.
В целях экспериментального обоснования положений разработанной методики были проведены исследования прочности моделей железобетонных конструкций ГТС, усиленных посредством внешнего армирования на основе углеродных лент и углеродных композитных ламелей, при действии поперечных сил (совместно с изгибающими моментами).
FibArm Таре 230/150
150 „
а)
г 150 I- 350 350 /г 150 ,,
. 210 150 280 . 150 210 О О
л/птИ]
7Ш7Г
1000
дал
FibArm Lamd-12/33
FibArm Таре 230/150
Рис. 3. Схемы оклейки железобетонных балок-моделей углеродными лентами (а) и углеродными композитными ламелями (б) на действие поперечной силы (совместно с
изгибащим моментом)
Для проведения экспериментальных испытаний на действие поперечной силы (совместно с изгибающим моментом) были изготовлены железобетонные модели в форме балок с линейными размерами 1000*300* 150мм (рис. 2).
Для испытаний изготавливались две серии железобетонных моделей из бетонов классов В15 и В25 с осадкой конуса 12-16 см и различного армирования из арматуры класса А500С.
Рабочее армирование выполнялось из арматуры класса А500С в количестве 2 диаметра 10 мм + 2 диаметра 12мм (одна серия моделей из бетона класса В15) и 3 диаметра 12 мм (другая серия моделей из бетона класса В25). У торцов и в центре пролета устанавливались поперечные хомуты диаметром 6 мм (рис. 2).
Каждая серия включала 3 группы моделей, состоящих из пары моделей-близнецов. Одна группа моделей-близнецов изготавливалась без усиления, другая группа моделей-близнецов усиливалась углеродными лентами, третья группа моделей-близнецов усиливалась углеродными композитными ламелями, что
позволило осуществить сопоставление результатов испытаний балок-моделей без усиления и балок-моделей с различными вариантами усиления.
При выполнении усиления железобетонных балок-моделей применялись углеродные ленты типа FibArmTape 230/300 (шириной 150 мм в два слоя), а также углеродные ламели типа FibArmLamel 12/50 (шириной 50 мм, толщиной 1,2 мм) (рис.3).При проведении экспериментальных исследований определялось повышение несущей способности моделей, усиленных углеродными лентами и углеродными композитными ламелями, по сравнению с контрольными железобетонными моделями без усиления СВА.
В ходе экспериментальных исследований балок-моделей на действие поперечной силы (совместно с изгибающим моментом) были получены следующие основные результаты.
Разрушение балок-моделей из бетона В15 с армированием 0,94%, выполненных без усиления, было зафиксировано при нагрузках 133,7... 149,2 кН.
Разрушение балок-моделей из бетона В15 с армированием 0,94%, усиленных углеродными лентами, было зафиксировано при нагрузках 207,7.276,9 кН, что соответствует эффективности усиления по сравнению с обычными моделями (без усиления) равной, в среднем, 1,85 раза.
Разрушение балок-моделей из бетона В15 с армированием 0,94%, усиленных углеродными композитными ламелями, было зафиксировано при нагрузке 266,0 кН, что соответствует эффективности усиления по сравнению с обычными моделями (без усиления) равной, в среднем, 1,98 раза.
Разрушение балок-моделей из бетона В25 с армированием 0,85%, выполненных без усиления, было зафиксировано при нагрузках 135,3.165,0 кН.
Таблица 2
Разрушающая нагрузка
Балки Фактическая (экс- Расчетная при фактиче-
периментальная), ских прочностных харак-
кН теристиках, кН
Серия БП-15
Неусиленные БП-15-3 133,7 123,8
БП-15-4 149,2 140,8
Усиленные углеродной лентой БП-15-1 БП-15-2 207,7 238,7
276,9 256,4
Усиленные углеродной ламелью БП-15-5 266,0 266,0 250,9 255,8
БП-15-6
Серия БП-25
Неусиленные БП-25-5 165,0 155,7
БП-25-6 135,3 135,3
Усиленные углеродной лентой БП-25-1 305,9 342,0 275,6 275,8
БП-25-2
Усиленные углеродной ламелью БП-25-3 270,0 317,9 245,5 274,1
БП-25-4
Разрушение балок-моделей из бетона В25 с армированием 0,85%, усиленных углеродными лентами, было зафиксировано при нагрузках 305,9.342,0 кН, что соответствует эффективности усиления по сравнению с обычными моделями (без усиления) равной, в среднем, 2,15 раза.
Разрушение балок-моделей из бетона В25 с армированием 0,85%, усиленных углеродными композитными ламелями, было зафиксировано при нагрузках 270,0...317,9 кН, что соответствует эффективности усиления по сравнению с обычными моделями (без усиления) равной, в среднем, 2,18 раза.
В табл. 2 представлено сопоставление результатов расчетов на основе разработанной методики с экспериментальными данными. Таким образом, разработанная методика расчета прочности железобетонных конструкций гидросооружений, усиленных внешним армированием на основе композитных материалов, при действии поперечных сил обоснована экспериментально.
Л и т е р а т у р а
1. Александров А.В., Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Балагуров В.Б. Расчетное обоснование и технические решения по усилению железобетонных конструкций ГЭС (ГАЭС), имеющих трещины различного направления, при действии комплекса нагрузок // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2014. -№ 6. С.50-54.
2. СП 41.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.06.08-87. - М.: 2012. - 68 с.
3. П-46-89. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений (без предварительного напряжения) к СНиП 2.06.08-87. - Л.:1990. - 276 с.
4. СТО 17330282.27.140.002-2008: Гидротехнические сооружения ГЭС и ГАЭС. Условия создания. Нормы и требования. Книга 3. Приложение Г. Правила проектирования бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. - М.: 2007. - 86 с.
5. Залесов А.С., Рубин О.Д., Лисичкин С.Е. Повышение надежности массивных гидротехнических сооружений на основе совершенствования норм проектирования // Гидротехническое строительство. - 1994. - №9. - С.46-48.
6. Караваев А.В., Кауфман А.Д., Судаков В.Б., Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Боярский В.М., Сергеев И.П. О проекте норм проектирования бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство». -2003. - № 6. - С. 34-35.
7. Zilch. K., Neidermeier. R and Finckh. W. Strengthening of concrete structures with adhesively bonded reinforcement// Beton-Kalender, Berlin. - 2014. - Рр. 29-32.
8. Kim, H., Kim, M., Ko, M., and Lee, Y. (2015). Shear Behavior of Concrete Beams Reinforced with GFRP Shear Reinforcement// International Journal of Polymer Science. - № 1. -Рр. 1-8.
9. Mofidi, A. and Chaallal, O. Tests and Design Provisions for Reinforced-Concrete Beams Strengthened in Shear Using FRP Sheets and Strips// International Journal of Concrete Structures and Materials. - 2014. - № 7. - Рр. 117-128.
10. Menegotto M, Monti G., Liotta M.A.. Modelling shear mechanism in FRP-strengthened R/C beams// Architecture Civil Engineering Environment. - 2009. - No 3. - Рр. 57-68.
R e f e r e n c e s
1. Aleksandrov, A.V., Rubin, O.D., Lisichkin, S.E., Balagurov, V.B. (2014). Raschetnoe obosnovanie i tekhnicheskie resheniya po usileniyu zhelezobetonnyh konstrukcij GES (GAES) imeyushchih treshchiny razlichnogo napravleniya pri dejstvii kompleksa nagruzok, Stroitel'naya Mechanika Inzhenernyh Konstruktziy i Sooruzheniy, № 6, рр. 50-54.
2. SP 41.13330.2012. Betonnye i Zhelezobetonnye Konstrukcii Gidrotekhnicheskih Sooruzhenij. Aktualizirovannaya redakciya SNIP 2.06.08-87, Moscow, 2012, 68 p.
3. P46-89. Posobie po Proektirovaniyu Betonnyh i Zhelezobetonnyh Konstrukcij Gidrotekhnicheskih Sooruzhenij bez Predvaritelnogo Napryazheniya k SNIP 2.06.08-87, L., 1990, 247 p.
4. STO 17330282.27.140.002-2008: Gidrotekhnicheskie sooruzheniya GES i GAES. Usloviya sozdaniya. Nnormy i trebovaniya, Kniga 3: Prilozhenie G, Pravila proektirovaniya betonnyh i zhelezobetonnyh konstrukcij gidrotekhnicheskih sooruzhenij, Moscow, 2007, 86 p.
5. Zalesov, A.S., Rubin, O.D., Lisichkin, S.E. (1994). Povyshenie nadezhnosti massivnyh gidrotekhnicheskih sooruzhenij na osnove sovershenstvovaniya norm proektirovaniya, Gidrotechni-cheskoe Stroitel 'stvo, № 9, pp.46-48.
6. Karavaev, A.V., Kaufman, A.D., Sudakov, V.B., Rubin, O.D., Lisichkin, S.E., Boyarskij, V.M., Sergeev, I.P. (2003). O proekte norm proektirovaniya betonnyh i zhelezobetonnyh konstrukcij gidrotekhnicheskih sooruzhenij, Gidrotekhnicheskoe stroitelstvo, № 6, pp. 34-35.
7. Zilch,. K., Neidermeier. R and Finckh. W. (2014). Strengthening of concrete structures with adhesively bonded reinforcement, BetonKalender, Berlin, pp. 29-32.
8. Kim, H., Kim, M., Ko, M., and Lee, Y. (2015). Shear Behavior of Concrete Beams Reinforced with GFRP Shear Reinforcement, International Journal of Polymer Science, № 1, pp. 1-8.
9. Mofidi, A. and Chaallal, O. (2014). Tests and Design Provisions for Reinforced-Concrete Beams Strengthened in Shear Using FRP Sheets and Strips, International Journal of Concrete Structures and Materials, № 7, pp. 117-128.
10. Menegotto, M., Monti, G., Liotta, M.A. (2009). Modelling shear mechanism in FRP-strengthened R/C beams, Architecture civil engineering environment, No 3, pp. 57-68.
DEVELOPMENT OF THE METHOD OF CALCULATION OF THE STRENGTH OF
REINFORCED CONCRETE STRUCTURES OF THE HYDRAULIC ERECTIONS STRENGTHENED BY MEANS OF EXTERNAL REINFORCING ON THE BASIS OF COMPOSITE MATERIALS UNDER ACTION OF SHEAR FORCES
O.D. Rubin, S.E. Lisichkin, A.V. Aleksandrov, O.A. Simakov
To justify the use of the external reinforcement with the composite materials in the strengthening of reinforced ferroconcrete structures of hydraulic erections, a complex research was carried out. The method of calculation of strength of ferroconcrete structures of hydraulic erections, reinforced by external reinforcement by composite materials under the action of cross forces was developed. In order to justify the experimental design procedure the strength of reinforced concrete structures of hydraulic structures models, reinforced by an external reinforcement based on carbon tape and carbon composite slats, under the action of shear forces (with bending moments) was studied.
Keywords: hydraulic erections, reinforced concrete structure, strengthening, reconstruction, external reinforcement, composite materials, carbon composite slats, strength analysis, experimental research, shear force.
Численные методы расчета конструкций
расчет конструкций в форме пологих сетчатых гипаров с учетом геометрической нелинейности
С.И. ТРУШИН, д-р техн. наук, профессор* Е.В. СЫСОЕВА, канд. техн. наук** Ф.И. ПЕТРЕНКО, аспирант*
*Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет,
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; [email protected], ** Московский государственный академический художественный институт имени В.И. Сурикова при Российской академии художеств, 109004, г. Москва, Товарищеский переулок, д. 30; [email protected]
Предложена методика расчета гибких сетчатых оболочек в форме гиперболического параболоида (гипара) при различных граничных условиях. Использованы соотношения теории оболочек с учетом геометрической нелинейности и деформаций поперечного сдвига. Рассматривается класс конструкций с достаточно густой сеткой ребер, при этом исходная дискретная модель сводится к некоторой континуальной модели с приведенными жесткостными характеристиками. Для решения нелинейной задачи используется метод продолжения решения по параметру, краевая задача решается вариационно-разностным методом. Приведен пример расчета гибкого пологого сетчатого гипара.
