РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Содержание

Общие положения

1. Основные требования

2. Материалы

3. Основные расчетные положения

4. Расчет по предельным состояниям первой группы

4.1. Расчет нормальных сечений изгибаемых элементов

4.2. Расчет прочности сечений, наклонных к продольной оси изгибаемого элемента

4.3. Расчет сжатых и внецентренно сжатых элементов

4.4. Осевое растяжение

5. Расчет по предельным состояниям второй группы

5.1. Расчет по образованию трещин

5.2. Расчет по раскрытию трещин

5.3. Расчет по деформациям

6. Технология производства работ

6.1. Принципиальные схемы усиления основных типов конструкций

6.2. Подготовка основания под наклейку

6.3. Раскрой ленты или ламината

6.4. Приготовление адгезива

6.5. Наклейка лент (ткани)

6.6. Наклейка ламината

Приложение 1. Конструктивные особенности выполнения усиливающих накладок

Приложение 2. Контроль качества

П2.1. Входной контроль

П2.2. Операционный контроль

П2.3. Приемочный контроль

Приложение 3. Физико-механические свойства некоторых типов угле-, стекло- и арамидных волокон

Приложение 4. Физико-механические свойства термореактивных смол, применяемых при усилении конструкций

Приложение 5. Физико-механические свойства некоторых типов арматуры фап по данным производителей

П5.1 Углепластики - ламинаты

П5.2 Углепластики - ткани (холсты) и композиты (данные для монослоя)

П5.3 Стеклопластики - ткани и композиты (данные для монослоя)

Приложение 6. Физико-механические свойства некоторых типов смол по данным производителей

Приложение 7. Условные обозначения

Литература

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Настоящее Руководство разработано в развитие Свода Правил СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры» [4].

В Руководстве приведена методика расчета усиливаемых железобетонных конструкций внешним армированием композиционными материалами на основе углеродных, арамидных и стеклянных волокон (фиброармированными пластиками, далее ФАП).

Основные положения настоящего Руководства распространяются на:

- железобетонные конструкции, не имеющие повреждений, но требующие усиления в связи с увеличивающимися в результате реконструкции (в т.ч. перепрофилирования) сооружений расчётными эксплуатационными нагрузками или из-за изменения схем работы конструктивных элементов зданий и сооружений;

- железобетонные конструкции, поврежденные в ходе эксплуатации ("отстрел" защитного слоя, коррозия арматуры и бетона, наличие трещин, непроектных прогибов, и т.д.) с целью восстановления их эксплуатационных свойств и повышения долговечности.

В Руководстве рассматривается усиление конструкций композиционными материалами как заводского изготовления (ламинаты), так и создаваемыми непосредственно на строительном объекте из тканей (лент, холстов) за счёт пропитки и наклейки их специальными полимерными составами (в основном на эпоксидной основе).

В основу разработки настоящего Руководства положен опыт проектирования и выполнения работ по усилению конструкций ООО «ИнтерАква» [8, 12, 13, 14, 15, 19], исследования, проведенные в НИИЖБ [16], результаты многочисленных зарубежных экспериментальных исследований, рекомендации производителей композиционных материалов для усиления строительных конструкций, а также анализ данных практического применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций в России и за рубежом.

Единицы физических величин, приведенные в Руководстве: силы выражены в ньютонах (Н) или килоньютонах (кН); линейные размеры - в "мм" (для сечений) или в "м" (для элементов или их участков); напряжения, сопротивления и модули упругости - в мегапаскалях (МПа); распределенные нагрузки и усилия - в кН/м или Н/мм.

Учитывая отсутствие достаточного опыта применения ФАП в России, в Руководстве приведены рекомендации по технологии производства работ.

Руководство разработано ООО «Интераква» (инж. Чернявский В.Л., д.т.н. Хаютин Ю.Г., к.т.н. Аксельрод Е.З.) и НИИЖБ (д.т.н., проф. Клевцов В.А., инж. Фаткуллин Н.В.).

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1. Максимальная эксплутационная температура работы системы ФАП не должна превышать температуру стеклования полимерной матрицы и клея (ориентировочно 60-150°С).

1.2. Внешние ФАП используются для продольного и поперечного армирования стержневых элементов, для создания армирующих усиляющих оболочек на колоннах и опорах мостов, эстакад, консолях колонн, для усиления плит, оболочек, элементов ферм и других конструкций.

1.3. Рациональной степенью усиления с помощью системы ФАП является диапазон 10-60% от начальной несущей способности усиливаемой конструкции.

1.4. Система усиления ФАП может применяться, если фактическая прочность на сжатие бетона конструкции составляет не менее 15 МПа. Это ограничение не распространяется на усиление сжатых и внецентренно сжатых элементов горизонтальными обоймами, когда важна только механическая связь обоймы с конструкцией.

1.5. За основной метод расчета принят метод предельных состояний. Расчет конструкций, усиленных ФАП, по первой группе предельных состояний производится во всех случаях. Расчет по второй группе предельных состояний производится только в тех случаях, когда расчетная нагрузка после усиления увеличивается.

1.6. Расчет системы усиления на основе ФАП требует рассмотрения нескольких видов разрушения и предельных состояний усиленного элемента. Поэтому вначале рекомендуется ориентировочно назначить площадь сечения ФАП выбранного типа и затем изменять её в соответствии с результатами проверок соответствующих предельных состояний. Расчеты проводятся итерационно, поэтому желательно применение компьютерных программ для автоматизации вычислений.

1.7. Определение усилий в элементах конструкций производится с учётом данных, полученных при обследовании, предшествующим усилению.

1.8. Использование системы ФАП не останавливает начавшиеся процессы коррозии арматурной стали в бетоне. Поэтому перед усилением конструкции необходимо обработать бетонную поверхность мигрирующим ингибитором коррозии арматурной стали, а при отделении защитного слоя - оголить арматуру и обработать её грунтом-преобразователем ржавчины и затем восстановить защитный слой специальными полимерцементными ремонтными составами, обеспечивающими высокую адгезию к «старому» бетону, предотвращение развития коррозии арматуры.

МАТЕРИАЛЫ

2.1. Характеристики бетона и арматуры при отсутствии в них повреждений принимаются в соответствии со СНиП 52-101-2003 [5].

2.2. При наличии результатов обследования усиляемых конструкций назначение характеристик бетона и арматуры производят с учетом требований СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» [17].

2.3. Для армирования в системе ФАП используются: стекловолокно, арамидные и углеродные волокна. Физико-механические свойства волокон и отвержденных пластиков представлены в справочных Приложениях 5-7.

2.4. Плотность армирующих волокон ФАП находится в пределах 1,2-2,1 г/см3 (табл. 2.1)

2.5. Коэффициент линейного температурного расширения (к.л.т.р.) ФАП зависит от типа волокна, смолы и объемного содержания волокна. К.л.т.р. для армирующих материалов ФАП в продольном и поперечном направлениях представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Плотность армирующих материалов ФАП, используемых для усиления (г/см3)

Сталь Стекловолокно Углеродное волокно Арамидное волокно
7,9 1,2-2,1 1,5-1,6 1,2-1,5

Таблица 2.2

Таблица 3.1

Коэффициенты условий работы се для различных материалов ФАП1

______________

1 Справедливость применяемых коэффициентов для углепластиков подтверждена дополнительными исследованиями, приведенными в [3].

Условия окружающей среды Материал Ламинаты Ткани
Внутренние помещения Углерод 0,95 0,9
Стекло 0,75 0,7
Арамид 0,85 0,8
Конструкции на открытом воздухе Углерод 0,85 0,8
Стекло 0,65 0,6
Арамид 0,75 0,7
Агрессивная среда Углерод 0,85 0,8
Стекло 0,5 0,5
Арамид 0,7 0,6

Значения коэффициента надежности gf принимаются равными:

- при расчете по предельным состояниям первой группы - 1,1;

- при расчете по предельным состояниям второй группы - 1.0.

Рис. 4.1. Расположение усилий в поперечном прямоугольном сечении усиленного элемента

тогда предельный изгибающий момент:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.22)

4.1.20. Напряжения в ФАП и стержневой арматуре могут быть найдены из выражений (4.23) и (4.24) соответственно:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.23)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.24)

где ebi определяется из выражения (4.10).

4.1.21. При расчете рекомендуется высоту сжатой зоны находить итерационно. На первом этапе принимается высота сжатой зоны, полученная из выражения (4.17). Затем вычисляются напряжения в стержневой арматуре и ФАП по выражениям (4.23) и (4.24) 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 (x > xR). Введение в уравнение равновесия на втором этапе напряжения в композите, полученного по выражению (4.24), 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%).

4.1.22. После подбора площади сечения арматуры ФАП необходимо проверить напряжения и деформации в ней, которые не должны превышать предельно допустимых величин Rfu или efu, определенных по п. 4.1.7. Это условие соблюдается, когда фактическая относительная высота сжатой зоны бетона x меньше граничной xRf, определенной из выражения (4.13).

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

Примеры расчета

Пример 1. Дано: сечение размерами b = 300 мм, h = 800 мм, а = 70 мм; растянутая арматура А400 (Rs=355 МПа); площадь её сечения As = 2945 мм2 (6Æ25); бетон класса В25 (Rb = 14,5 МПа); изгибающий момент 650 кНм. Элемент конструкции находится во внутреннем помещении. Начальные деформации бетона не учитывать.

Требуется проверить прочность сечения и при необходимости запроектировать усиление из углепластика холодного отверждения со следующими характеристиками: нормативная прочность Rf = 1400 МПа, Ef = 120000 МПа, расчетная толщина монослоя tf = 0,175 мм.

Расчет:

h0 = 800 - 70 = 730 мм

Проверку прочности производим согласно {п. 3.20 [7]}.

Определим значение х:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruмм

По {табл. 3.2 [7]} находим xR = 0,531

Так как

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

проверяем условие {(3.20) [7]}:

RsAs(h0 - 0,5x) = 355 × 2945 × (730 - 0,5 × 240) = 636,8 × 106 Нмм = 636,8 кНм < М = 650 кНм

т.е. прочность сечения не обеспечена.

Расчет усиления:

Для усиления на нижнюю растянутую поверхность балки наклеивается один слой углеродной ткани шириной 300 мм. Расчетный модуль упругости Еf = Еft = 120000 МПа

Предельная деформация растяжения

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п. 3.9) gf = 1,1

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) СЕ = 0,9

Расчетная прочность по формуле (3.1) равна

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Тогда расчетная деформация растяжения по формуле (3.2) равна

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Расчетный модуль упругости Ef = Eft = 120000 МПа.

Проверяем условие (4.1) для отслаивания:

nEfttf = 1 × 120000 × 0,175 = 21000 < 180000

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Так как km не должен превышать 0,9 принимаем km =0,9.

Поскольку начальные деформации бетона не учитываются, то

efu = kmeft = 0,9 × 0,00957 = 0,00861

Из (4.4) sfu = Efefu = 120000 × 0,00861 = 1033 MПа

Расчётная прочность углеткани по формуле (4.5) равна Rfu = sfu = 1033 МПа.

Определяем предельное значение относительной высоты сжатой зоны бетона для внешней арматуры

a = 0,85

w = a - 0,008Rb = 0,85 - 0,008 × 14,5 = 0,734

В формулу для xRf (4.13) подставляем значение прочности Rfu

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 300 × 0,175 = 52,5 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru,

следовательно напряжение по внешней арматуре меньше расчетного. Проверяем напряжение по выражению (4.24)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruМПа

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Поскольку недоиспользование прочности внешней арматуры небольшое, принимаем sf = 954 МПа.

Предельный изгибающий момент по (4.20):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Прочность сечения обеспечена.

Пример 2. Дано: сечение размерами b = 300 мм, h = 700 мм, а = 50 мм; а' = 30 мм; растянутая и сжатая арматура А400 (Rs=355 МПа); площадь сечения Аs = 3054 мм2 (3Æ36); РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru= 942 мм2 (3Æ20); бетон класса В30 (Rb = 17 МПа). Действующий изгибающий момент от эксплуатационной нагрузки М0 = 500 кНм.

Конструкция эксплуатируется в г. Москве на открытом воздухе. В связи с реконструкцией появляется кратковременная нагрузка, вызывающая дополнительный изгибающий момент 250 кНм и, таким образом, полная нагрузка составит 750 кНм.

Требуется проверить прочность сечения и при необходимости запроектировать усиление из углепластика горячего отверждения (ламината) со следующими характеристиками: нормативная прочность Rf = 3100 МПа, Еf = 170000 МПа, толщина монослоя tf= 1,4 мм.

Расчет:

h0 = 700 - 50 = 650 мм

Проверку прочности производим согласно п. 3.18 [7].

Определим значение х:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

По {табл. 3.2 [7]} находим xR=0,531

Так как РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru, проверяем условие {(3.17) [7]}:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

т.е. прочность сечения не обеспечена.

Расчет усиления:

Предполагаем, что на нижнюю растянутую поверхность балки наклеивается один слой ламината шириной 100 мм.

Определим значения деформаций крайнего растянутого волокна бетона от эксплуатационной нагрузки в соответствии с разделом 4.1.8:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Находим высоту сжатой зоны по формуле (4.7):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

6,15 × 3054 × (650 - х) - 5,15 × 942 × (х - 30) - 0,5 × 300 × х2 = 0

отсюда х = 297 мм.

Момент инерции приведенного сечения по формуле (4.9):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Деформация крайнего сжатого волокна по формуле (4.8):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Деформация крайнего растянутого волокна по формуле (4.10):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

При дальнейшем расчете величину деформаций ФАП следует уменьшать на значение ebi.

Определим предельную деформацию растяжения ФАП:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п. 3.9) gf = 1,1.

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) СЕ = 0,85.

Расчетная прочность (3.1)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Тогда расчетная деформация растяжения (3.2)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Расчетный модуль упругости Ef = Еft = 170000 МПа

Проверяем условие (4.1) для отслаивания:

nEftf = 1 × 170000 × 1,4 = 238000 > 180000

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Принимаем km = 0,447, тогда предельная расчетная деформация углепластика

efu £ kmeft = 0,447 × 0,0141 = 0,0063

sfu = Eftefu = 170000 × 0,0063 = 1071 МПа

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона xRf усиленного сечения определяем по расчётной прочности углеродного ламината sfu, в соответствии с разделом 4.1.7 настоящего Р.

Rfu = sfu = 1071 МПа

a = 0,85

w = a - 0,008 Rb = 0,85 - 0,008 × 17 = 0,714

По выражению (4.13):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

где ebui = eb0 = 0,002 - предельная относительная деформация бетона при непродолжительном действии нагрузки в соответствии с разделом {5.1.12 [4]}.

xRf = xRf × h = 0,339 × 700 = 237 мм

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 100 × 1,4 = 140 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Проверяем относительную высоту сжатой зоны:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

следовательно, сечение не переармировано.

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru,

т.е. напряжение по внешней арматуре при разрушении сечения больше расчетного, что недопустимо. Необходимо увеличить площадь углепластика.

Увеличение количества слоев ламината не приведёт к соответствующему увеличению усилия, развиваемого во внешней арматуре. Это связано с коэффициентом km, ограничивающем деформации композита для предотвращения отслаивания внешней арматуры. Поэтому необходимо увеличить ширину композита.

Увеличиваем ширину ламината до 200 мм.

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 200 × 1,4 = 280 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Проверяем относительную высоту сжатой зоны:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

следовательно, сечение не переармировано.

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

необходимо ещё более увеличить площадь углепластика.

Увеличиваем ширину ламината до 250 мм.

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 250 × 1,4 = 350 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Проверяем относительную высоту сжатой зоны:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

следовательно, сечение не переармировано.

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

необходимо проверить напряжение во внешней арматуре.

Определяем напряжение в ламинате по (4.24):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruт.е. прочность внешней арматуры используется почти полностью.

Предельный изгибающий момент по выражению (4.20):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru= 350 × 1071 × (700 - 0,5 × 221) +

+ 3054 × 355 × (650 - 0,5 × 221) + 942 × 355 × (0,5 × 221 - 30) = 833 кНм > 750 кНм

Прочность сечения обеспечена.

Рис. 4.2. Расчетная схема деформационной модели

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Рис. 4.3. Эпюры распределения деформаций и напряжений по высоте сечения

Примеры расчета

Пример 3.

Рассчитать балку из примера 1 по деформационной модели.

Расчет:

Основные параметры модели приведены в таблице 1*.

Результаты расчета приведены в таблице 2*.

Таблица 1*

Пример 4.

Рассчитать балку из примера 2 по деформационной модели.

Расчет:

Основные параметры модели приведены в таблице 3*. Результаты расчета приведены в таблице 4*.

Таблица 3*

Рис. 4.4. Схемы наклейки ФАП при усилении наклонных сечений

Таблица 4.1

Рис. 4.5 Размещение ФАП хомутов для усиления наклонных сечений

4.2.2. После подбора сечения усиляющей накладки (по разделу 4.1) необходима проверка обеспечения несущей способности сечений:

- наклонных к продольной оси элемента на действие поперечной силы по наклонной полосе между наклонными трещинами,

- на действие поперечной силы по наклонной трещине,

- на действие изгибающего момента по наклонной трещине.

4.2.3. Расчет изгибаемых железобетонных элементов по бетонной полосе между наклонными сечениями производят по выражению {6.65 [4]}:

Q £ jb1Rbbh0 (4.49)

4.2.4. Расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям на действие поперечных сил осуществляется по {п. 6.2.34 [4]} с учетом следующих дополнений.

Общее условие прочности:

Q £ Qult. (4.50)

Поперечная сила, воспринимаемая бетоном в наклонном сечении Qb, определяется по {п. 6.67 [4]}:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.51)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.52)

Усилие Qsw, воспринимаемое поперечной стальной арматурой, нормальной к продольной оси элемента определяется по выражению {6.68 [4]}:

Qsw = 0,75qswc, (4.53)

где РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Усилие Qf, воспринимаемое хомутами из ФАП, определяется из выражения:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.54)

где Af,sh = 2ntfwf. (4.55)

Растягивающие напряжения в арматуре ФАП в предельном состоянии прямо пропорциональны достигнутому уровню деформации:

sfu = efeEf. (4.56)

В зависимости от схемы наклейки поперечных хомутов вводятся ограничения на величину деформаций ФАП.

Для железобетонных колонн и балок, обернутых системой ФАП вкруговую, может наблюдаться потеря сцепления с бетоном при деформации в ФАП меньше предельной. Для предупреждения этого типа разрушения необходимо ограничить используемую при проектировании максимальную деформацию до 0,4%:

efe = 0,004 £ 0,75eft. (4.57)

Для системы ФАП, не охватывающей все сечение (двух и трехсторонние хомуты) расчетная деформация вычисляется с использованием коэффициента запаса по сцеплению kv:

efe = kveft £ 0,004. (4.58)

Коэффициент запаса по сцеплению является функцией от прочности бетона, типа схемы наклейки и жесткости ФАП. Этот коэффициент можно вычислить с помощью выражений (4.59) - (4.62):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.59)

Параметр Lf определяется из выражения (4.60):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.60)

Коэффициенты k1 и k2, учитывающие прочность бетона и тип схемы наклейки определяются из выражений:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru (4.61)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru- для U-образных хомутов,

(4.62)

а РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru- для двухсторонних.

4.2.5. Расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям на действие моментов производят из условия:

M £ Ms + Msw + Mf, (4.63)

где: Ms и Мsw - определяются по {п. 6.2.35 [4]}:

Ms = Ns zs, (4.64)

Msw = 0,5Qswc, (4.65)

Mf = 0,5Qfc. (4.66)

В связи с расположением хомутов ФАП в зоне анкеровки ФАП продольного направления, усилия в последнем в расчетах не учитываются.

Примеры расчета

Пример 5. Дано, свободно опертая балка перекрытия с размерами сечения:

b = 200 мм, h = 400 мм, h0 = 370 мм; бетон тяжелый класса В25 (Rbt = 1,05 МПа); хомуты двухветвевые диаметром 8 мм (Asw = 101 мм2) с шагом sw= 150 мм; арматура класса А240 (Rsw = 170 МПа); временная эквивалентная по моменту нагрузка qv = 36 кН/м, постоянная нагрузка qg = 20 кН/м; поперечная сила на опоре Qmax= 154 кН.

Требуется проверить прочность наклонных сечений и при необходимости запроектировать усиление из углепластика холодного отверждения. Углепластик изготавливается из волокон со следующими нормативными характеристиками: прочность Rf = 4800 МПа, Ef = 230000 МПа, толщина монослоя tf = 0,167 мм.

Расчет:

Прочность наклонных сечений проверяем согласно {п 3.31 [7]}. По выражению {(3.48) [7]} определим интенсивность хомутов:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruН/мм

Поскольку РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruт.е. условие {(3.49) [7]} выполняется, хомуты учитываем полностью и значение Мb определяем по выражению {(3.46) [7]}:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruНмм

Согласно {п. 3.32 [7]} определяем длину проекции невыгоднейшего наклонного сечения:

q1 = qg + 0,5qv = 20 + 0,5 × 36 = 38 кН/м (Н/мм);

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

следовательно значение с принимаем равным 1065 мм > 2h0 = 740 мм

Тогда с0 = 2h0 = 740 мм и Qsw = 0,75 × 114,5 × 740 = 63548 кH = 63,6 кH;

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Q = Qmax - q1c = 154 - 38 × 1,017 = 115,4 кH;

Qb + Qsw = 42,4 + 63,6 = 106 кН < Q = 115,4 кН,

т.е. прочность наклонных сечений не обеспечена.

Расчет усиления:

Принимаем трехсторонние U-образные хомуты из однонаправленной углеродной ткани в один слой, наклеиваемые перпендикулярно продольной оси балки (a=90°).

По результатам испытаний слоистых образцов ткани из заданного волокна с объемным содержанием 60% по ГОСТ 25.601-80 получены следующие нормативные характеристики ФАП:

предел прочности при растяжении: Rf = 2400 МПа,

относительное удлинение при разрыве: d = 2,09 %,

модуль упругости: Ef = 115000 МПа.

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п.п. 3.9) gf = 1,1.

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) се = 0,9;

Расчетная прочность (3.1)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruМПа = 1964 МПа;

Тогда расчетная деформация растяжения (3.2)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Расчетный модуль упругости Еft = Еf = 115000 МПа

n = 1; wf = 100 мм;

Af,sh = 2ntfwf = 2 × 1 × 0,167 × 100 = 33,4 мм2

Из таблицы (4.1) коэффициент запаса по схеме наклейки yf = 0,85

Полагая, что хомуты приклеиваются по всей высоте стенки балки,

df = h0 = 370 мм.

Из выражения (4.60) эффективная длина анкеровки:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruмм.

Коэффициент k1 находится из выражения (4.61):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Коэффициент k2 находится из выражения (4.62):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Коэффициент запаса по сцеплению kv вычисляется по выражению (4.59):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Предельная расчетная деформация по выражению (4.58)

eft = kveft = 0,196 × 0,0171 = 0,00335;

Тогда расчетное напряжение

sfu = efeEf = 0,00335 × 115000 = 385 МПа.

Поперечная сила, воспринимаемая хомутами из углеткани:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruкН

Тогда общая поперечная сила:

Q = Qb + Qsw Qf = 42,4+63,6+26,7=132,7 кН > 115,4 кН.

Прочность сечения обеспечена.

Пример 6. Дано: свободно опертая балка пролётом 5,5 м с равномерно распределенной нагрузкой q = 38 кН/м, конструкция приопорного участка балки по черт. 1; бетон класса В15 (Rb=8,5 МПа); продольная арматура без анкеров класса А400 (Rs=355 МПа) площадью сечения Аs = 982 мм2 (2Æ25); хомуты из арматуры класса А240 (Rsw = 170 МПа) диаметром 8 мм (Аsw= 101 мм2) с шагом sw= 150 мм приварены к продольным стержням.

Требуется проверить прочность наклонных сечений на действие момента и при необходимости запроектировать усиление из углепластика холодного отверждения со следующими характеристиками: нормативная прочность Rf = 1400 МПа, Ef = 120000 МПа, толщина монослоя tf = 0,175 мм.

Расчет:

h0 = h - a = 400 - 40 = 360 мм

Поскольку растянутая арматура не имеет анкеров, расчет наклонных сечений на действие момента необходим. Определим усилие в растянутой арматуре по выражению {(3.73) [4]}. Принимаем начало наклонного сечения у грани опоры. Отсюда

ls = lsup - 10 мм = 280 - 10 = 210 мм (см. рис. 4.6).

Опорная реакция балки равна:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruкН

Площадь опирания балки

Asup = blsup = 200 × 280 = 56000 мм2,

следовательно

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruМПа

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru.

Поэтому a = 1. Из табл. {3.3 [7]} при классе бетона В15, классе арматуры А400 и a=1 находим lan = 47. Тогда, длина анкеровки равна

lan = lands = 47 × 25 = 1175 мм

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruкН.

Поскольку к растянутым стержням в пределах длины ls приварены 4 вертикальных и 2 горизонтальных поперечных стержня (см. рис. 4.6), увеличим усилия Ns на величину Nw.

Принимая dw = 8 мм, nw = 6, jw = 150 (см. {табл. 3.4 [7]}) получаем:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruкН;

Ns = 80,1 + 30,24 = 110,34 кН.

Определяем максимально допустимое значение Ns. Из. табл. {3.3 [7]} при a = 0,7 находим lап= 33, тогда

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruкН > Ns,

т.е. оставляем Ns = 110,3 кH.

Определим плечо внутренней пары сил:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru360 - 35 = 325 мм.

Тогда момент, воспринимаемый продольной арматурой, равен

Ms = Nszs = 110346 × 327,5 = 36,1 × 106 Нмм.

По выражению {(3.48) [4]} вычислим величину qsw:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruНмм.

Определяем длину проекции невыгоднейшего наклонного сечения по выражению {(3.76) [7]}, принимая значение Qmax равным опорной реакции балки, т.е. Qmax = Fsup= 104,5 кН.

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Тогда момент, воспринимаемый поперечной арматурой, равен

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruНмм.

Момент в наклонном сечении определяем как момент в нормальном сечении, расположенном в конце наклонного сечения, т.е. на расстоянии от точки приложения опорной реакции, равной

x = lsup/3 + c = 280/3 + 685 = 778 мм.

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruНмм = 69,8 кНм.

Проверяем условие {(3.69) [7]}

Мs + Мsw = 36,1 + 26,9 = 63 кНм < М = 69,8 кНм.

Прочность сечения не обеспечена.

Расчет усиления:

Принимаем трехсторонние U-образные хомуты из однонаправленной углеродной ткани в один слой, наклеиваемые перпендикулярно продольной оси балки (a=90°) с шагом sf = 150 мм.

п = 1; wf = 100 мм;

Af,sh = 2ntfwf = 2 × 1 × 0,175 × 100 = 35 мм2.

Предельная деформация растяжения

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п. 3.9) gf = 1,1.

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) се = 0,9.

Расчетная прочность (3.1)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruМПа = 1145 МПа.

Тогда расчетная деформация растяжения (3.2)

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Из таблицы (4.1) коэффициент запаса по схеме наклейки yf = 0,85.

Полагая, что хомуты приклеиваются по всей высоте стенки балки,

df = h0 = 360 мм.

Из выражения (4.60) эффективная длина анкеровки:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruмм.

Коэффициент k1 находится из выражения (4.61):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Коэффициент k2 находится из выражения (4.62):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Коэффициент запаса по сцеплению kv вычисляется по выражению (4.59):

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Предельная расчетная деформация по выражению (4.58):

efe = kveft = 0,236 × 0,00957 = 0,00226 < 0,004.

Тогда расчетное напряжение

sfu = efeEf = 0,00226 × 120000 = 271 МПа.

Поперечная сила, воспринимаемая хомутами из углеткани:

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ruкН.

Изгибающий момент, воспринимаемый хомутами ФАП определяется по выражению (4.66):

Mf = 0,5Qfc = 0,5 × 19,3 × 0,778 = 7,5 кНм.

Суммарный изгибающий момент:

M = Ms+Msw+Mf= 36,1 + 26,9 + 7,5 = 70,5 кН > 69,8 кН

Прочность сечения обеспечена.

РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ - student2.ru

Рис. 4.6 К примеру расчета 6

Рис. 4.7. Активные зоны при усилении прямоугольных сечений колонн

Следует учитывать, что для прямоугольных сечений с соотношением высоты к ширине, превышающим 1,5, или размерами поперечного сечения b или h, превышающими 900 мм, ограничивающим воздействием обоймы ФАП следует пренебрегать, если испытания не покажут ее эффективность.

Осевое растяжение

Системы ФАП можно использовать для обеспечения дополнительной прочности на растяжение железобетонного элемента. Благодаря линейно-упругой работе материалов ФАП, вклад ее в увеличении прочности на растяжение линейно связан с уровнем деформации и вычисляется согласно закона Гука.

Уровень растяжения, обеспечиваемый ФАП, ограничивается расчетной прочностью ФАП и способностью передавать напряжение подложке через адгезив. Расчетная деформация ФАП определяется на ос

Наши рекомендации