CC BY
211
СТРОИТЕЛЬСТВО. Строительные материалы и изделия
D0I.org/10.5281/zenodo.1286034 УДК 624.0
В.И. Римшин, С.И. Меркулов, С.М. Есипов
РИМШИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ - д.т.н., профессор, член-корреспондент РААСН, руководитель Института развития города, e-mail: v.rimshin@niisf.ru Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН Локомотивный проезд, 21, Москва, 127238
МЕРКУЛОВ СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ - д.т.н., член-корреспондент РААСН, профессор,
заведующий кафедрой промышленного и гражданского строительства,
e-mail: mersi.dom@yandex.ru
Курский государственный университет
Радищева ул., 33, Курск, 305000
ЕСИПОВ СТАНИСЛАВ МАКСИМОВИЧ - аспирант кафедры строительства и городского хозяйства, e-mail: sk31.sm@gmail.com
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Костюкова ул., 46, Белгород, 308012
Бетонные конструкции, усиленные композитным материалом
Аннотация: Рассмотрены направления применения неметаллического композитного тканого материала при усилении эксплуатируемых железобетонных конструкций. Показано, что основным фактором, обеспечивающим надежность конструкции, является сцепление композитного тканого материала с бетоном железобетонной конструкции. Авторами предложена оригинальная методика экспериментальной оценки сцепления композитного тканого материала с бетоном. Установлены схемы разрушения изгибаемых элементов, усиленных внешним армированием композитным тканым материалом. Доказано, что внешнее армирование композитными материалами должно обеспечивать включение в работу элементов усиления совместно с усиливаемой конструкцией, при этом усиленная железобетонная конструкция представляет собой сложную техническую систему. Авторами проведены экспериментальные исследования конструкций, усиленных композитными материалами различных видов. Были испытаны железобетонные балки с рабочей арматурой класса А500 и с арматурой класса А600, усиленные холстами из стеклоткани и углеткани, углеламина-тами. Часть из них на торцах имели U-образные анкеры из композитного материала. Усиление балок выполнено наклейкой на растянутую ткань углеволокна, число слоев которого варьировалось от 1 до 4. В качестве опытных образцов использовались балки длиной 1290 мм с поперечным сечением 120х190. Балки, усиленные одним слоем углепластика, разрушались с его отслоением, разрушение стальных образцов - по бетону сжатой зоны. Усиление балок увеличило несущую способность до 130%. В статье сформулированы основные направления развития исследований конструкций с композитной тканой арматурой.
Ключевые слова: композитный тканый материал, железобетонные конструкции, усиление, дефект, сцепление.
© Римшин В.И., Меркулов С.И., Есипов С.М., 2018
О статье: поступила 10.05.2018; финансирование: исследования выполнены в рамках темы 7.1.12 Плана фундаментальных научных исследований Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) и Минстроя России на 2017-2018 годы.
Введение
В процессе эксплуатации зданий и сооружений строительные конструкции находятся под воздействием разнообразных силовых и средовых факторов. Повреждения конструкций вызываются совокупностью нескольких причин, причем часто они носят взаимно усиливающий характер. Для промышленных зданий характерны вибрационные и знакопеременные нагрузки, а также пропитка железобетонных конструкций маслосодержащими жидкостями. Усиление данных конструкций металлическими или железобетонными элементами малоприменимо из-за насыщенности технологическим оборудованием и невозможности остановки предприятия на период ремонтных работ. В этом случае наиболее эффективно усиление железобетонных конструкций композиционными материалами. Таким системам усиления присущи малые вес и размеры, стойкость к агрессивным воздействиям, простота технологии выполнения работ, что делает применение таких систем экономически обоснованным, несмотря на высокую стоимость композитных материалов [10]. Усиление выполняется высокотехнологичными методами в малые сроки, без остановки производства. Известные методики проектирования усиления железобетонных конструкций внешним армированием композиционными материалами [4, 7, 11] в качестве основной предпосылки предлагают следующие схемы разрушения:
- разрушение сжатой зоны бетона до достижения напряжений текучести в стальной растянутой арматуре усиливаемой железобетонной конструкции;
- наступление текучести в растянутой стальной арматуре усиливаемой железобетонной конструкции и последующее разрушение внешней композитной арматуры усиления без разрушения сжатой зоны бетона.
Система усиления железобетонных конструкций внешним армированием композиционными материалами должна обеспечивать включение в работу элементов усиления и их совместную работу с усиливаемой конструкцией. Усиленная железобетонная конструкция представляет сложную систему, в которой упругий элемент усиления объединяется с железобетонной конструкцией клеевой композицией, обладающей неупругими свойствами. Методики проектирования усиления железобетонных конструкций композитными материалами не учитывают деформации сдвига в контактном шве, сцепление композитного материала с бетоном косвенно оценивается введением коэффициента условий работы композитного материала при назначении его расчетного сопротивления [7, 11].
В настоящее время проведены экспериментальные исследования железобетонных конструкций, усиленных композитными ткаными материалами, результаты которых опубликованы. В [5, 9] приведены экспериментальные исследования усиленных изгибаемых элементов внешним армированием из композитных материалов различных видов. Были испытаны железобетонные балки с рабочей арматурой класса А500 и А600, усиленные холстами из стеклоткани и углеткани, углеламинатами. Часть образцов на торцах имели и-образные анкеры из композитного материала. Усиление изгибаемых элементов композитными материалами повышает способность балок до 140% в зависимости от типа композита и наличия анкеров, причем наличие анкерных устройств повышает несущую способность усиленной балки до 50% по сравнению с усиленными элементами без анкеров. Усиленные балки разрушались по схемам: отслоение композита вследствие разрушения клея в зоне образования нормальных и наклонных трещин, отслоение композита с разрушением бетона защитного слоя, разрыв композита. Часть железобетонных балок до усиления имели трещины в растянутой зоне, наличие трещин не оказало влияния на несущую способность усиленных балок.
В [3] приведены результаты экспериментальных исследований усиленных железобетонных балок композитным внешним армированием. Усиление балок выполнено наклейкой на растянутую грань углеволокна, число слоев углеволокна варьировалось от 1 до 4. В качестве опытных образцов использовались балки длиной 1290 мм с поперечным сечением 120х190 мм. Все балки нагружались до появления первых нормальных трещин, затем наклеивалось углеволокно. В качестве варьируемых факторов принимались: число слоев усиления (от 1 до 4), расположение бандажей по длине пролета. Балки, усиленные одним слоем углепластика, разрушались с отслоением
углепластика, разрушение остальных образцов - по бетону сжатой зоны. Усиление балок увеличило несущую способность до 130%.
В работах [1, 2] приведены результаты исследований усиленных балок, выполненных с целью определения принципов распределения напряжений между составляющими контактной зоны «бетон-композит», значений максимальных и эффективных длин анкеровки композитных элементов внешнего армирования. Разрушение балок из бетонов меньшей прочности происходило вследствие отрыва бетона на глубину до 40 мм от клеевого шва, балок из бетонов большей прочности -разрушения клеевого соединения. Установлено, что основным фактором, влияющим на эффективность усиления, является прочность клеевого соединения тканого композитного материала усиления с бетоном.
В работе [8] анализируют экспериментальные исследования по усилению углеродными композитными материалами железобетонных ребристых плит покрытия. Усиление представляло собой приклеивание полос из углеродных тканей или ламинатов на нижнюю поверхность продольных ребер плит. В общем случае повышение несущей способности составило 40%. По результатам исследований предложено в расчетах учитывать вероятность отслоения внешнего армирования при превышении в нем предельных величин нормальных напряжений. Установлено, что основной схемой разрушения изгибаемых железобетонных элементов внешним армированием является отслоение композитной арматуры.
Таким образом, анализ экспериментальных исследований, проведенных разными авторами, показал, что изгибаемые элементы, усиленные внешним армированием ткаными композитными материалами, разрушались в основном с отслоением композитного материала усиления. Для оценки механизма разрушения изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием композитным материалом, нами проведены экспериментальные исследования с целью обоснования критерия прочности изгибаемых железобетонных элементов.
Образцы, оборудование, программа экспериментальных исследований
Цель испытаний заключалась в экспериментальном обосновании критерия прочности изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием композитным материалом, при действии нагрузки и ненагруженных элементов.
Программа экспериментальных исследований предусматривала испытания изгибаемых железобетонных балок, усиленных композитными материалами (табл. 1).
Таблица 1
Программа экспериментальных исследований
Серия образцов Тип усиления Нагрузка в момент усиления
Б-1 Не усиленный элемент -
Б-2-1 Наклейка углеволоконной ткани в один слой на растянутую грань без анкеров Отсутствует на усиливаемый элемент
Б-2-2 Наклейка углеволоконной ткани в один слой на растянутую грань с устройством ^образных анкеров Отсутствует на усиливаемый элемент
Б-3 Наклейка углеволоконной ткани в один слой на растянутую грань с устройством ^образных анкеров 0,5 разрушающей нагрузки неусиленной железобетонной балки, в растянутой зоне нормальные трещины
Б-4 Наклейка углеволоконной ткани в один слой на растянутую грань с устройством ^образных анкеров 0,7 разрушающей нагрузки неусиленной железобетонной балки, в растянутой зоне нормальные трещины
Образцы были изготовлены из тяжёлого бетона класса В20. Размеры опытных образцов составили 100х150(^)х1300 мм, расчетный пролет - 1200 мм. Опытные образцы балок армированы пространственным каркасом из двух плоских сварных каркасов из стали А400 08 мм с симметричным
расположением продольной арматуры. Рабочая арматура в каркасе расположена в один ряд, количество стержней сжатой арматуры - 2 шт., растянутой - 2 шт. Поперечная арматура А400 06 мм, шаг по длине балки переменный: в крайних четвертях - 50, в средних - 100 мм. Усиление балок выполнялось наклейкой углеволоконной ткани в один слой на растянутую грань. Часть балок были усилены с устройством и-образных анкеров из композитного материала. Особенностью данных исследований является усиление железобетонных конструкций под нагрузкой, уровень нагрузки составлял 0,5 и 0,7 от величины разрушающей нагрузки для неусиленной железобетонной балки. Этот вариант усиления экспериментальных балок более достоверно отражает реальную картину усиления конструкций эксплуатируемых зданий, когда невозможно полностью разгрузить усиливаемую конструкцию.
Характеристики углеволоконной ткани, примененной для усиления железобетонных балок, определены по ГОСТ 25.601-80: для сухого волокна прочность на растяжение - 1911 МПа, модуль упругости - 101000 МПа, для пропитанного полимером волокна - 2940 и 279000 МПа соответственно. Предварительно были изучены характеристики композитного материала, механизмы разрушения при растяжении сухого волокна и волокна, пропитанного полимером [6]. Прочностные характеристики бетона составили Rb=11,7 МПа, Rbt=0,9 МПа.
Результаты экспериментальных исследований
Испытания образцов проводили на испытательном стенде, нагрузку создавали гидравлическими домкратами, к балке прикладывали две сосредоточенные силы на расстоянии 450 мм от опор (рис. 1). Нагрузку прикладывали ступенями до 0,1 от разрушающей. Продольные деформации бетона сжатой и растянутой зон измеряли индикаторами МИГ-1 с ценой деления 0,001 мм на базе 200 мм, а также тензодатчиками КФ5П1-20-200-А-12 с базой 20 мм.
Рис. 1. Установка для испытания изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием композитным материалом.
В результате испытаний получены величины разрушающего момента изгибаемых элементов, установлены характерные схемы разрушения усиленных изгибаемых элементов при различных конструктивных решениях усиления и с учетом истории нагружения (табл. 2).
Усиление железобетонных изгибаемых балок внешним армированием углеволоконной тканью без устройства анкеров позволяет увеличить несущую способность до 1,4 раза, с устройством анкеров - до 1,6 раза. Усиление изгибаемых балок, находящихся под нагрузкой до выполнения усиления, не дает такого эффекта, как в предыдущем случае. При усилении железобетонной балки с уровнем действующей нагрузки 0,5 эффект усиления снижается и составляет 1,3; при уровне
действующей нагрузки 0,7 повышение несущей способности составляет 1,2. Разрушение всех опытных образцов происходило с отрывов внешнего композитного элемента от бетона, без раздробления бетона сжатой зоны, с образованием нормальных трещин в балках. Отрыв композитной полосы произошёл с отслоением элемента внешнего армирования или с разрушением бетона вблизи клеевого шва на глубину 8-12 мм (рис. 2).
Таблица 2
Результаты испытаний экспериментальных образцов
Серия Несущая способность М, кН-м Эффект усиления (увеличение несущей способности) Характер разрушения образца
Б-1 7,16 - По нормальным сечениям в зоне чистого изгиба
Б-2-1 10,02 1,40 Отслоение композита
Б-2-2 11,46 1,60 Отслоение композита
Б-3 9,45 1,32 Отслоение композита с разрушением защитного слоя бетона
Б-4 8,66 1,21 Отслоение композита с разрушением защитного слоя бетона
а) б)
Рис. 2. Разрушение опытного образца с отслоением элемента внешнего армирования (а) и с разрушением бетона вблизи клеевого шва (б).
При усилении железобетонных балок под нагрузкой при наличии нормальных трещин в бетоне растянутой зоны снижается эффект усиления внешним армированием композитным материалом. В момент разрушения опытных балок усилие в композитном элементе составила 0,5...0,6 от разрушающего значения, полученного при испытании углеволоконной ткани на растяжение. Усиление железобетонных балок внешним армированием композитным материалам увеличивает их трещиностойкость. В балках серии Б-1 момент образования нормальных трещин составляет 1,44 кН-м, а в балках серий Б-2 - 2,83 кН-м, независимо от наличия и-образных анкеров.
Заключение
Выполненные экспериментальные исследования железобетонных балок, усиленных внешним армированием ткаными композитными материалами, показали, что основными формами разрушения являются:
- разрушение клеевого шва между элементом усиления из композитного материала и бетоном конструкции без разрушения его сжатой зоны и до достижения напряжений текучести в стальной растянутой арматуре усиливаемой железобетонной конструкции;
- отрыв композитного материала усиления с разрушением бетона вблизи клеевого шва без разрушения бетона и его сжатой зоны и до достижения напряжений текучести в стальной растянутой арматуре усиливаемой железобетонной конструкции.
Эффект усиления железобетонных изгибаемых элементов зависит от уровня действующей нагрузки на период усиления и от наличия нормальных трещин в бетоне растянутой зоны. Повысить эффективность усиления внешним армированием тканым композитным материалом позволяет устройство в приопорных зонах усиливаемых железобетонных балок U-образных анкеров из композитного материала.
При проектировании усиления эксплуатируемых железобетонных конструкций необходимо учитывать предысторию нагружения конструкции, наличие силовых повреждений, конструктивное решение усиления внешним армированием тканым композитным материалом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бадалова Е.Н. Усиление изгибаемых железобетонных конструкций углепластиковой арматурой // Вестник Полоцкого государственного университета. Сер. F. Прикладные науки. 2007. № 6. С. 54-59.
2. Бадалова Е.Н. Экспериментальные исследования изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных приклеиванием углепластиковых пластин // Вестник Полоцкого гос. ун-та. Сер. F. Прикладные науки. 2009. № 12. С. 45-50.
3. Григорьева Я.Е. Экспериментальное исследование влияния внешнего армирования изгибаемых железобетонных балок углеволокном на прочность и жесткость конструкций // Вестник МГСУ. 2011. № 8. С. 181-185.
4. Михуб Ахмад, Польской П.П., Маилян Д.Р., Блягоз А.М. Сопоставление опытной и теоретической прочности железобетонных балок, усиленных композитными материалами, с использованием разных методов расчёта // Новые технологии. 2012. Вып. 4. С.101-110.
5. ОДМ 218.3.027-20013. Рекомендации по применению тканевых композиционных материалов при ремонте железобетонных конструкций мостовых сооружений / Росавтодор. М.: РОСДОРНИИ, 2013, 60 с.
6. Параничева Н.В., Назмеева Т.В. Усиление строительных конструкций с помощью углеродных композиционных материалов // Инженерно-строительный журнал. 2010. № 2. С. 19-22.
7. Подольский П.П., Михуб Ахмад. О программе исследований изгибаемых железобетонных элементов, усиленных различными видами композитных материалов // Строительство-2012: сб. науч. тр. Ростов н/Д., 2012. С. 51-52.
8. Римшин В.И., Меркулов С.И. Элементы теории развития бетонных конструкций с неметаллической композитной арматурой // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 5. С. 38-42.
9. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. ГУПНИ-ИЖБ. М.: Интераква, 2006. 48 с.
10. Bazhenov Y.M., Erofeev V.T., Rimshin V.I.,Markov S.V., Kurbatov V.L. Changes in the topology of a concrete porous spase in interactions with the external medium. Engineering Solid Mechanics. 2016(4);4:219-225.
11. Erofeev V.T., Zavalisin E.V., Rimshin V.I., Kurbatov V.L., Stepanovich M.B. Frame composites based on soluble glass. Research J. of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016(7);3:2506-2517.
12. Korotaev S.A., Kalashnikov V.I., Rimshin V.I., Erofeeva I.V., Kurbatov V.L. The impact of mineral aggregates on the thermal conductivity of cement. Ecology, Environment and Conservation. 2016(22);3:1159-1164.
13. Shubin I.L., Zaitsev Y.V., Kurbatov V.L., Sultygova P.S. Fracture of high performance materials under multiaxel compression and thermal effect. Engineering Solid Mechanics. 2017(5);2:139-144.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Building Materials and Products
D0I.org/10.5281/zenodo.1286034
Rimshin V., Merkulov S., Esipov S.
VLADIMIR RIMSHIN, Doctor of Engineering Sciences, Professor,
Head of the City Development Institute, e-mail: v.rimshin@niisf.ru
Institute of Building Physics of RAASN
21, Locomotive travel, Moscow, Russia, 127238
SERGEY MERKULOV, Doctor of Engineering Sciences, Professor,
Head of the Department of Industrial and Civil Construction, e-mail: mersi.dom@yandex.ru
Kursk State University
33, Radishchev str., Kursk, Russia, 305000
STANISLAV ESIPOV, Postgraduate, Department of Construction and Municipal Economy, e-mail: sk31.sm@gmail.com
Belgorod State Technological University Named After him. V.G. Shukhov 46, Kostyukova St., Belgorod, Russia, 308012
Concrete structures reinforced by composite material
Abstract: The article considers the nonmetallic composite woven material used to reinforce exploited concrete structures. It has been demonstrated that the main factor ensuring the reliability of the construction is the composite woven material bonding to concrete of the reinforced concrete structure. The authors present an innovative technique for the experimental evaluation of the composite woven material bonding to concrete. The schemes of destruction of the flexural members externally reinforced with a composite woven material have been established. It has been proved that the external reinforcement by composite materials must provide the inclusion of the reinforcement elements in operation with the reinforced structure, while the reinforced concrete structure remains a complex technical system. The authors have carried out experimental studies of the structures reinforced with composite materials of various types. Reinforced concrete beams with working fittings of A500 class and with reinforcement of A600 class reinforced with canvases made of fiberglass and coal as well as with carbonamines were tested. At the ends of some of them, there were U-shaped anchors made of composite material. The reinforcement of the beams was done by sticking carbon fiber on the stretched fabric, the number of layers of carbon fiber varied from 1 to 4. As test samples, beams with a length of 1290 mm with a cross section of 120x190 were used. The beams reinforced with a single layer of carbon fiber were destroyed when the latter detached, the steel samples underwent destruction over the concrete of the compressed zone. The reinforcement of the beams increased the bearing capacity up to 130%. The article outlines the main directions for the development of researches on the structures with the composite woven reinforcement.
Key words: composite woven material, reinforced concrete structures, reinforcement, structural damage, adhesion.
REFERENCES
1. Badalova E.N. Strengthening of bending reinforced concrete structures with carbon fiber reinforcement. Vestnik of Polotsk State University. Series. F. Applied science. 2007;6:54-59.
2. Badalova E.N. Experimental studies of bending reinforced concrete structures strengthened by gluing carbon fiber plates. Vestnik of Polotsk state University. Series F. Applied Sciences. 2009;12:45-50.
3. Grigorieva I.E. Experimental study of the effect of external reinforcement of bendable reinforced concrete beams with carbon fiber for strength and rigidity of structures. Scientific and technical journal Vestnik MGSU. 2011;8:181-185.
4. Myhub Ahmad, PolskyP.P., Mailyan D.R., Blyagoz A.M. Comparison of the experienced and the theoretical strength of reinforced concrete beams, reinforced composite materials, using different methods of calculation. New technology. 2012(4): 101-110.
5. ODM 218.3.027-20013. Recommendations on the use of fabric composite materials in the repair of reinforced concrete structures of bridge structures. Rosavtodor. M., Road Research Institute, 2013, 60 p.
6. Paranicheva N.V., Nazmeeva T.V. Strengthening of building structures using carbon composite materials. Civil Engineering Journal. 2010;2:19-22.
7. Podolsky P.P., Mihoub Ahmad. About the program research of bendable concrete elements reinforced with various types of composite materials. Construction. 2012: collection of scientific labours'. Rostov-on-Don. 2012, p.51-52.
8. Rimshin V.I., Merkulov S.I. Elements of the theory of development of concrete structures with non-metallic composite reinforcement. Industrial and civil construction. 2015;5:38-42.
9. Guidelines for strengthening reinforced concrete structures with composite materials. GUP NIIZHB. Moscow, LLC Interakva, 2006, 48 p.
10. Bazhenov Y.M., Erofeev V.T., Rimshin V.I.,Markov S.V., Kurbatov V.L. Changes in the topology of a concrete porous spase in interactions with the external medium. Engineering Solid Mechanics. 2016(4);4:219-225.
11. Erofeev V.T., Zavalisin E.V., Rimshin V.I., Kurbatov V.L., Stepanovich M.B. Frame composites based on soluble glass. Research J. of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016(7);3:2506-2517.
12. Korotaev S.A., Kalashnikov V.I., Rimshin V.I., Erofeeva I.V., Kurbatov V.L. The impact of mineral aggregates on the thermal conductivity of cement. Ecology, Environment and Conservation. 2016(22);3:1159-1164.
13. Shubin I.L., Zaitsev Y.V., Kurbatov V.L., Sultygova P.S. Fracture of high performance materials under multiaxel compression and thermal effect. Engineering Solid Mechanics. 2017(5);2:139-144.
