Прочность и деформативность усиленных композитными материалами балок при различных варьируемых факторах

Аннотация

Д.Р. Маилян, П.П. Польской

Дата поступления статьи: 09.06.2013

приведены сведения о влиянии вида и процентов стального и композитного армирования на прочность и деформативность усиленных железобетонных балок. Установлено что степень приращения прочности балок уменьшается с ростом процента стального армирования, особенно при использовании углепластиков горячего и холодного отвердения.

Ключевые слова: Бетон, железобетон, Сталь , композит, процент армирования, эффективность усиления, варьируемый фактор, прочность, предел прочности, предельно- допустимый прогиб, деформативность.

Влияние различных видов композитных материалов и других варьируемых факторов на прочность и деформативность усиленных балок, определялось методом прямого сопоставления результатов экспериментов. В качестве эталонных, были приняты обычные железобетонные балки без композитного усиления.

Результаты проведенных испытаний по прочности и их первичная обработка приведены в столбах 5 и 6 табл. 1.

Проведенные эксперименты показали, что эффективность усиления железобетонных конструкций композитными материалами зависит от всех варьируемых факторов, перечисленных в задачах исследования а именно: вида стальной арматуры и композитного материала; процентов стального и композитного армирования; наличия или отсутствия анкерующих композитные материалы устройств.

Уровень приращения прочности балок  с А500 первого этапа исследования, усиленных стеклопластиком, оказался практически в два раза выше по сравнению с аналогично усиленными образцами с А600 второго этапа. Указанное соотношение сохраняется и при двукратном увеличении площади поперечного сечения композитного материала. Таким образом, можно отметить, что с увеличением процента стального армирования, обратно пропорционально изменяется эффективность композитного усиления с использованием стеклоткани.

Прочность балок, усиленных стеклопластиком, на I этапе проведения опытов увеличивается вместе с увеличением площади сечения композитного материала. С ростом процента стального армирования (балки II этапа) эффективность усиления снижается при одновременном уменьшении уровня приращения прочности.

Степень приращения прочности опытных образцов, усиленных углепластиком в балках первого этапа оказалась сопоставимой с усилением стеклотканью. Однако при увеличении площади сечения углепластика в два раза, эффект приращения несущей способности наоборот уменьшился примерно на 20%. Балки второго этапа, у которых процент стального армирования в два раза больше, показали практически нулевой процент приращения нагрузки из-за отрыва защитного слоя бетона. Последнее свидетельствует о том, что усиление балок с использованием  большой площади композитной арматуры делает это усиление не эффективным, если отсутствуют конструктивные мероприятия. При этом, несущая способность такого сечения сопоставима с прочностью эталонного образца.

Таблица № 1

Результаты испытания опытных балок по прочности

Примечание: символом N_s^exp и N_f^exp обозначена величина опытной нагрузки, приложенной на траверсу, соответственно при испытании эталонной или усиленной балки.

Наличие U – образных анкеров на торцах усиливающих элементов резко увеличивает несущую способность усиленных балок, которая сопоставима с предельной прочностью железобетонного элемента с одиночной арматурой. При этом эффективность анкеров несколько снижается при увеличении прочности стали и при резком увеличении процента стального армирования.

Все изложенное свидетельствует о том, что усиление нормальных сечений балок не может происходить без усиления наклонных сечений. Необходима также  и разработка  других конструктивных мероприятий, обеспечивающих равнопрочность нормальных и наклонных сечений.

На основе опытных данных были построены графики (рис.1) зависимости прогибов балок от величины действующих нагрузок для всех опытных образцов, испытанных на I и II этапах. При сравнении указанных графиков, на всем диапазоне нагрузок,  деформативность эталонных балок второго этапа с арматурой класса А600 заметно ниже по сравнению с аналогичными балками первой серии, где рабочая арматура – А500. Это вполне объяснимо и связано как с прочностью арматуры, которая  для класса А600 в 1,2 раза выше, так и вдвое большим процентом стального армирования.

Деформативность балок, усиленных стеклотканью, практически не отличается от эталонных образцов первого и второго этапов исследований.

Деформативность балок, усиленных разными видами углепластика заметно ниже по сравнению с эталонными образцами и практически не зависит от вида стальной арматуры. Вместе с тем, степень влияния разного вида композита – различна.

Увеличение процента композитного армирования приводит к уменьшению деформации опытных образцов, вне зависимости от вида композитных волокон.

При этом степень влияния величины _f – также различна.

Рис. 1.–  Сопоставление зависимости прогибов эталонных и усиленных опытных балок в зависимости от величины нагрузки при испытании на первом (а) и втором (б)  этапах эксперимента

Цифрами 1-12 обозначен шифр опытных образцов:

            Деформативность однотипных балок, усиленных стеклопластиком, резко отличается в балках I и II этапов. Она меньше там, где выше класс арматуры и больше её площадь. Для балок, усиленных углепластиком, различие не столь велико.

Наличие анкерных устройств U – образной формы на торцах углеламинатов  или холстов  из углеткани уменьшает деформативность балок, независимо от класса арматуры и одновременно резко повышает прочность. При этом прочность увеличивается вместе с ростом сечения композитного усиления.

Приведенные данные о прогибах балок на обоих этапах исследования, свидетельствуют об  их зависимости от класса арматуры, вида композитного материала и процентов их армирования, которые в должной мере пока не учитываются в расчёте.

Литература

1. П.П. Польской, Д.Р. Маилян  «Композитные материалы - как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений» : Эл. журнал «Инженерный вестник дона», №  4,Ростов-на-дону,2012.

2. П.П. Польской, Мерват Хишмах, Михуб Ахмад. «О влиянии стеклопластиковой арматуры на прочность нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона». :  Эл. Журнал «Инженерный вестник Дона»  №4, Ростов-на-Дону, 2012.

3. СП63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.М.:ФАУ«ФЦС»,2012.С.155.

4. ГОСТ 10180-90 Бетоны . Методы определения прочности по контрольным образцам.-Введ.1991-01-01.-М.:Изд-во стандартов,1990. с.36

5. ГОСТ 12004-81: Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. -Введ.01.07.1983.-М.:Изд-во стандартов,1981.

6. ГОСТ 25.601-80 «Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов) Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах».

7. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. Под руководством д.т.н., проф. В.А. Клевцова. – М.: НИИЖБ, 2006 – 48с.

8. ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний загружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. – Взамен ГОСТ 8829-85;введ. 01.01.1998. –М.: Госстрой России ГУП ЦПП, 1997 – 33с.

9. Guide for the Design and Construction of  Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. ACI 440.2R-02. American Concrete Institute.

10. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete tructures. ACI 440.2R-08. American Concrete Institute.

11. Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2004.