CC BY
4
УДК 69
Борлаков М.Н. студент 2 курса магистратуры
Алиев К. У. доцент
кафедра «строительство и управление недвижимостью» факультет «Промышленное и гражданское строительство» Северо-Кавказская государственная академия
Россия, г. Черкесск
УСИЛЕНИЕ ИЗГИБАЕМОЙ БАЛКИ С ПОМОЩЬЮ ВНЕШНЕГО АРМИРОВАНИЯ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА
Аннотация. Статья посвящена расчету по усилению изгибаемых конструкций с применением углепластиковой арматуры. Ключевые слова: углепластик.
Borlakov M.N. 2nd year graduate student Aliyev K. U. associate professor
department of "Construction and Real Estate Management" faculty of industrial and civil engineering North Caucasus State Academy Russia, Cherkessk
REINFORCEMENT OF THE BENT BEAM WITH EXTERNAL CARBON FIBER REINFORCEMENT
Annotation. The article is devoted to the calculation of the reinforcement of bendable structures using carbon fiber reinforcement. Keywords: carbon fiber.
Расчетная оценка усиленных углепластиком образцов. Были взяты на исследование бетонные перемычки с габаритами Ь=1290мм, Ь=190мм, п=120мм.
Для наружного училения в растянутой зоне балки принял углепластик от компании Sika 230C.
Расчетные характеристики бетона и углепластика.
Бетон класса В30: R = 17МПа, Rbt = 1,75МПа, Eb = 30000МПа.
Углепластик Sika 230C:
Rcarbon = 4300МПа, E = 238000МПа, t = 0.131мм.
Для исследования усиленных образцов я исключил применение арматуры в теле бетона да бы избежать ее влияние на полученный результат.
Рис. 1 Схема балки для ее последующих расчетов
Расчетная прочность материалов внешнего армирования (углепластика) на растяжение с учётом коэффициентов надежности условия работы /д у^2 У/определяется по выражению:
П _ У/1 У/2^П —-
) У/
где - Тд коэффициент условий работы, согласно СП 164.1325800.2014 для углеродной ткани при использовании его во внутренних помещениях и нормальной влажности равен 0,9; Rn -нормативная прочность на растяжение; у/ - коэффициент надежности, при расчете по предельным состояниям первой группы - 1,1. у^2 коэффициент условий работы композитного материала, учитывающий сцепление композитного материала с бетоном, определяемый по формуле Тогда
Я/с —
0,9*0,9*4300МПа/см2 1,2
— 2902,5МПа/см2
При подборе площади сечения внешнего армирования из углепластика нельзя допускать что бы граничные проценты армирования были превышены чем установлено в СП бетонные железобетонные конструкции без предварительного напряжения.
Значение граничной относительной высоты сжатой зоны бетона определяют по следующей формуле
я/
ш
к
1 +
И
/и
(1-11)
где £Ьи1 принимается равным £Ьио для непродолжительного действия нагрузки и для продолжительного, в соответствии с СП 52 -101-2003.
ЕЬи0=0,002 %=3518,2
ш- характеристика сжатой зоны бетона определяется по следующей формуле: ^=0,85-0,008Дь тогда ш равна 0.714
Следовательно относительная граница сжатой зоны бетона равна усиленных углепластиком равна
0,714
%RF =
1 +
2902,5 МПа 0,002 * 238 000
= 0,227;
ho
Rbbx
RcarbonAcarbon Рис.2 Усилия в расматриваемом образце.
Расчет по прочности сечений усиленных изгибаемых элементов производится из общего условия:
М < Мш
Высота сжатой зоны х при разрушении усиленного сечения по арматуре и углепластику определяется из выражения:
х =
RfuAf Rhb
Площадь углепластика вычисляется из формулы.
Af = ^carbon = tcarbon^carbon^carbon
Где
tcarbon -толщина слоя углепластика в см bcarbon - ширина слоя из углепластика в см ncarbon - количество слоев из углепластика в шт. Aj = Acarbon = 0,0131см * 19см * 1слой=0,25см Aj = Acarbon = 0,0131см * 19см * 2слоя=0,5см Aj = Acarbon = 0,0131см * 19см * 3слоя=0,75см Aj = Acarbon = 0,0131см * 19см * 4слоя=1см
Если нам известны след данные можем найти Muit через следующую формулу:
= - 0.5*)
2902,5*0,25
= 2,25 см- для одного слоя
х =
X X X
17*19
4,49 см для двух слоев 6,74 см для трех слоев 8,99 см для четырех слоев
1 1.1
( 0.714 \
(-----1) = 3809,1МПа
V0.1875 /
0.002 * 238000 / 0.714
1-
0.714 \0.1875 1.1
Ыи1г = 0.25 * 3809,1 * (12 - 0.5 * 2.25) = 10356 = 1,036т - 1 слой
= 0.5 * 1233,19 * (12 - 0.5 * 4,49) = 6014.88 = 0.6015т - 2 слоя Ыи1г = 0.75 * 366,89 * (12 - 0.5 * 6,74) = 2374,7 = 0,2375т - 3 слоя = 1 * -65,11 * (12 - 0.5 * 8,99) = -488,65 = -0,0489т - 4 слоя Результаты расчета прочности нормальных сечений усиленных образцов представлены в Таблице 1. _Таблица 1 Расчет просности усиленных образцов.
Количество слоев Площадь сечения Напряжение в Предельный
углепластиковои углепластиковой углепластиковой изгибающий
внешней внешней арматуры внешней арматуре, момент, Mult, тм
арматуры,псягЬопШТ. Af, см 2 fy, МПа
1 0.25 3809,1 1,036
2 0.5 1233,19 0,6015
3 0.75 366,89 0,2375
4 1 -65,11 0,00
4500
4000
3500
го 3000 с
^ 2500 45
а 2000
s
I 1500 ос
С 1000 П5
X
500 0
-500
0,25 см 2 0,5 см 2 0,75 см2
Площадь сечения внешней арматуры Af
.11
1 см 2
Рисунок 3 - График зависимости напряжения от площади сечения внешней углепластиковой арматуры по результатам расчета.
Получаем следующие выводы:
- Способ может быть использован для анализа прочности нормальных профилей, армированных углеродным волокном, когда они находятся в пределах изменения формы и без учета фазы деформации;
- Для анализа нормальных поперечных сечений, которые находятся в фазе, близкой к исчерпанию несущей способности, а также для чрезмерно усиленных конструкций использование этого метода неверно;
- При расчете напряжения (для четырех слоев углеродного волокна) было получено отрицательное значение напряжения;
- Результаты расчетов указывают на нецелесообразное увеличение поперечного сечения углеродное волокно имеет более двух слоев (величина изгибающего момента уменьшается, когда поперечное сечение углеродного волокна увеличивается более чем на два слоя).
Определение относительной высоты сжатой зоны усиленных образцов.
Связь между бетоном основной конструкции и углепластиковым внешним армированием принимается жесткой.
Для перехода от нормативных характеристик углеволокна к расчетным характеристикам углепластика приняты следующие коэффициенты:
у -- коэффициент безопасности по материалу, равный 0,9;
у^. - коэффициент, учитывающий условия работы и приклейки
композиционного материала, равный 0,8. Тогда расчетная (приведенная) прочность углепластика:
Тогда расчетная (приведенная) прочность углепластика:
Rcarbon,r = Уп УfRcarbon,n
Нормативная прочность углеволокна Rear bon,n 43000 кг/см.
Rcarbon.r = 0.9 * 0.8 * 4300МПа = 3096МПа/см2
Из условия равновесия по формуле (6.15) [3] вычисляем высоту сжатой зоны усиленного образца.
_ Rcarbon^carbon .
Л --;
Rbb
Вычисляем значения относительной и граничной относительной высот сжатой зоны:
х _ С < с — °-8 .
hQ ^carbon,el'
£b,ult
где ^carbon,ei - относительная деформация растянутой арматуры (углепластика):
_ ^carbon.
л
-■carbon,ei F ; S = 3096 = 0013.
carbon,ei 238000 ' ;
Следовательно
0.8
^ = 0,013 = 0,17
0,0035
При усилении одним слоем углеволокна относительная высота сжатой зоны будет равна 0,2, то есть больше граничной.
Следовательно, даже при усилении одним слоем углепластика можно судить о качественном изменении схемы работы усиленной конструкции.
Использованные источники:
1. СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» - М., 2004. [Электронный ресурс] // «АО НПП "Техкранэнерго" Нижегородский филиал».ЦКЬ: https://tk-servis.ru/lib/588/ (дата обращения: 11.05.2022)..
2. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 (с Изменениями N 1, 2, 3) таблица 6,14; 6.2.8. [Электронный ресурс] // Минстрй росии» URL: https://www.minstroyrf.gov.ru/docs/1887/ (дата обращения: 11.05.2022).
3. СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. - М., 2004. [Электронный ресурс] // ООО Дистрибьюторский центр «Кодекс» URL: https://docs.cntd.ru/document/1200037361 (дата обращения: 21.05.2022).
4.СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования». [Электронный ресурс] // ООО Дистрибьюторский центр «Кодекс» URL: https://docs.cntd.ru/document/1200113273 (дата обращения: 11.05.2022).
6. Кодыш, Э.Н. Совершенствование метода расчета каркасов реконструируемых зданий / Э.Н.Кодыш, Н.Н.Трекин, Н.Г.Келасьев // Промышленное и гражданское строительство. - 2006. - №2. - С. 16-18. [Электронный ресурс] // Научная электронная библиотека «eLIBRARY.ru» URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=9189829 (дата обращения: 13.05.2022).
7. Бедов, А. И. Обследование и реконструкция железобетонных и каменных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений / А.И. Бедов, В.Ф. Сапрыкин. - М.: АСВ, 1995.-192 с [Электронный ресурс] // «общедоступные БИБЛИОТЕКИ Санкт-Петербурга». URL: https://spblib.ru/en/catalog/-/books/4184812-obsledovanie-i-rekonstrukcia-zelezobetonnyh-i-kamennyh-konstrukcij -ekspluatiruemyh-zdanij -i-sooruzenij. (дата обращения: 17.05.2022)
