автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность, деформативность и трещиностойкость изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПРОЧНОСТЬ, ДЕФОРМАТИВНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, УСИЛЕННЫХ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ.

Специальность 05.23.01-«Строительные конструкции здания и

сооружения»

04201358239

На правах рукописи

Михуб Ахмад

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Д.Р. Маилян.

Ростов-на-Дону 2013 г

Содержание.

Введение......................................................................................................................6

Глава 1.Состояние вопроса и задачи исследования.............................................13

1.1. Общие сведения о развитии методов усиления строительных конструкций...........................................................................................................13

1.2. Экспериментальные исследования железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами............................................................17

1.2.1. Исследования, выполненные в России.................................................17

1.2.2. Зарубежные исследования в области усиления конструкций композитными материалами............................................................................22

1.3 Анализ проведенных экспериментальных исследований...........................30

1.3.1 Общие сведения........................................................................................30

1.3.2 Виды разрушения изгибаемых элементов, усиленных композитными материалами.......................................................................................................31

1.3.3 Влияние различных факторов на несущую способность усиленных железобетонных элементов с использованием композитных материалов. 34

1.4. Методы расчета прочности изгибаемых элементов, усиленных композитными материалами................................................................................37

1.4.1 Методика расчета в России....................................................................38

1.4.2 Зарубежные методики расчета................................................................39

1.5. Оценка долговечности железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами................................................................................43

1.6.Задачи настоящего исследования..................................................................49

Глава 2. Программа экспериментальных исследований и свойства материалов. .....................................................................................................................................51

2.1. Характеристика использованных материалов............................................51

2.2. Прочность исследуемых материалов...........................................................58

2.2. 1. Прочность бетона...................................................................................58

2.2. 2. Прочность холстов из композитных материалов...............................60

2.3. Общие требования по технологии выполнения работ при усилении

і

конструкций в системе МВЯАСЕ......................................................................64

2.4. Программа исследования и характеристика опытных балок....................65

2.5. Методика усиления балок.............................................................................70

2.6. Методика испытания.....................................................................................72

2.7. Выводы по главе 2..........................................................................................74

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований влияния вида композитных материалов и процентов стального и композитного армирования на прочность, деформативность и трещиностойкость усиленных балок..........76

3.1. Особенности трещинообразования опытных образцов при изменении видов арматуры, композитных материалов и других варьируемых факторов.

............................................................................................76

3.2. Характер разрушения опытных балок усиленных композитными материалами...........................................................................................................86

3.3. Прочность и деформативность эталонных и усиленных балок при различных варьируемых факторах......................................................................90

3.4. Ширина раскрытия нормальных трещин для эталонных и усиленных балок при различных варьируемых факторах....................................................95

3.5. Выводы по главе 3..........................................................................................99

Глава 4. Анализ опытных данных и предложения по учёту вида стальной и композитной арматуры при расчёте ширины раскрытия нормальных трещин и деформативности усиленных балок......................................................................102

4.1. Анализ влияния вида стального и композитного армирования на ширину раскрытия нормальных трещин.........................................................................102

4.2. Совершенствование методики расчета ширины раскрытия нормальных

трещин..................................................................................................................110

4.2.1. Сопоставление теоретических и опытных значений ширины раскрытия нормальных трещин.....................................................................110

4.2.2. Учет влияния различных факторов на ширину раскрытия нормальных трещин........................................................................................115

4.2.3. Уточнение методики норм при расчете ширины раскрытия нормальных трещин........................................................................................120

4.3. Анализ экспериментальных данных по деформативности опытных образцов................................................................................................................121

4.4.Предложения по совершенствованию методики расчета эталонных и усиленных балок по деформациям....................................................................132

4.4.1. Сопоставление теоретических и опытных прогибов усиленных образцов при расчете по методике норм......................................................132

4.4.2. Предложения по совершенствованию методики норм и руководства при расчете прогибов обычных и усиленных элементов............................141

4.5. Выводы по главе 4........................................................................................147

Глава 5. Рекомендации по расчету прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, анализ опытных данных......................................................................................................150

5.1. Анализ результатов экспериментов по прочности...................................150

5.1.1. Влияние вида композитного материала на прочность нормальных сечений.............................................................................................................154

5.1.2. Влияние процентного содержания стальной и композитной арматуры на эффективность усиления нормальных сечений......................................155

5.1.3. Влияние анкерных устройств U-образной формы на изменение прочности нормальных сечений....................................................................158

5.2. Методика расчета железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами, принятая в РФ...................................................161

5.2.1. Основные расчетные положения методики расчета..........................161

5.2.2. Сопоставление опытных и теоретических значений прочности нормальных сечений, усиленных образцов..................................................167

5.2.3. Предложения по совершенствованию методики расчета, заложенной в руководстве по усилению железобетонных конструкций.......................173

5.3. Сравнение расчетных аппаратов России, США и метода аналоговой фермы на базе экспериментальных данных автора.........................................176

5.4.Сопоставление трех методов расчета с использованием данных российских и зарубежных исследователей......................................................183

5.5. Выводы по главе 5........................................................................................192

Основные выводы.................................................................................................194

Литература.............................................................................................................198

Приложение. Акты о внедрении работы.............................................................208

Введение.

Ведущее место в капитальном строительстве России и за рубежом на ближайшую перспективу, по-прежнему будут занимать железобетонные конструкции. Одновременно с ростом объемов промышленного и гражданского строительства растут и объемы работ, связанные с ремонтом, восстановлением и усилением этих конструкций. Актуальность данного вопроса подтверждает и анализ рынка современного строительства, который свидетельствует о росте инвестиций в развитых индустриальных странах, направляемых на реконструкцию и ремонт существующих зданий. Объем этих инвестиций практически сравнялся с инвестициями на новое строительство.

Восстановление или усиление дефектных конструкций бывает необходимым как после определенного срока их эксплуатации, так и нередко уже на стадии самого строительства. Это связано зачастую с ранним загружением конструкций, низким качеством выполнения строительно-монтажных работ, а иногда и ошибками при проектировании.

Повышение эффективности ремонтно-восстановительных работ в настоящее время невозможно без совершенствования проектных решений по усилению конструкций, которые бы обеспечили их надежность, долговечность и экономичность. Эти показатели в равной степени зависят от снижения стоимости и трудоемкости технологических процессов при усилении, экономичного использования материальных и энергетических ресурсов, применения новых материалов.

Одним из таких направлений при усилении конструкции является использование композитных материалов на основе стекло- и углепластиков, которые, благодаря таким качествам как высокая прочность на растяжение, малый вес, технологичность и невосприимчивость к агрессивной среде, находят все большее применение. Этому способствует увеличение объемов каркасно-монолитного строительства, конструктивные особенности которых дают широкую перспективу для развития новых нетрадиционных методов усиления де-

фектных конструкций, в частности безбалочных плит перекрытия, усиление которых существующими методами приводит к повышению нагрузки, что весьма проблематично.

Анализ ранее выполненных работ показывает, что в настоящее время накоплен определенный экспериментальный материал по исследованию несущей способности железобетонных конструкций, усиленных с использованием различных видов композитных материалов. В большинстве своем - это стекло и углепластики холодного и горячего отверждения. Имеют место практические наработки по использованию нетрадиционного метода усиления конструкций, разработаны и различные методики их расчета.

Вместе с тем, следует отметить, что проведенные эксперименты по исследованию прочности железобетонных балок, усиленных с помощью различных видов композитных материалов, показали различный характер разрушения опытных образцов. Как следствие, имеет место различный уровень приращения несущей способности. Многие авторы, используя однотипные материалы, получили противоречивые результаты. Причина, на наш взгляд, кроется в отсутствии комплексности при проведении исследований, которые бы учитывали соотношение размеров опытных образцов, процент стального и композитного армирования, наличие и количество поперечной арматуры, схему загружения, технологию выполнения работ по усилению, а так же наличие и вид анкерую-щих композитные материалы устройств.

Практически отсутствуют опытные данные, полученные в одинаковых условиях и при единой методике испытания элементов, учитывающих различные варьируемые факторы, включая различные виды арматуры и композитных материалов.

В России пока не проводились по единой методике испытания усиленных железобетонных элементов изготовленных с использованием различных классов арматуры (рекомендуемых с 1.01. 2013 к преимущественному использованию), которые позволяют путем прямого сопоставления получить более

достоверные данные о влиянии вида арматуры на несущую способность нормальных сечений, деформативность балок и ширину раскрытия нормальных трещин.

Нет единого мнения о влиянии анкерующих устройств, установленных на конце композитных материалов, на прочностные и деформативные свойства усиленных элементов.

Отсутствуют конкретные предложения по конструкции анкерных устройств и методики их расчетов. Нет полной ясности в вопросе наиболее рациональной конструкции композитного усиления.

В России нет пока единой, утвержденной на государственном уровне, методики расчета усиленных конструкций, позволяющих беспрепятственно использовать наработанные технологии при усилении конструкций гражданских, промышленных и специальных зданий и сооружений.

С учетом выше изложенного, очевидно, что без комплексного исследования вышеперечисленных нерешенных вопросов, проблематично запроектировать рациональное и надежное усиление изгибаемых железобетонных элементов.

Цель работы - провести комплексные исследования нормальных сечений железобетонных балок изготовленных, усиленных и испытанных по единой методике, где в качестве варьируемых факторов использовались бы разное соотношение видов и процентов стального и композитного армирования. На основе полученных результатов разработать предложения по совершенствованию существующего расчетного аппарата.

Автор защищает:

- новые экспериментальные данные по прочности, деформативности и трещиностойкости железобетонных балок с д рабочей арматурой классов А500 и А600, усиленных тремя видами композитных материалов, в которых

при изготовлении и испытании по единой методике варьировались проценты стального и композитного армирования и анкерующие устройства;

- предложения по учету вида и количества стальной и композитной арматуры при расчете прочности и деформативности согласно Руководству по усилению железобетонных конструкций композитными материалами;

- новые данные о характере разрушения и несущей способности железобетонных элементов переармированных в процессе усиления внешней композитной арматурой;

- новые данные о влиянии анкерных устройств, установленных на торцах композитных холстов или ламинатов, на несущую способность усиленных элементов;

- новые данные о влиянии процента продольного армирования в зависимости от вида арматуры и композитных материалов на прочность и дефор-мативность усиленных железобетонных элементов;

- данные о сопоставлении расчетных методик России, США и Италии с использованием выборки экспериментальных данных отечественных и зарубежных исследователей;

- предложение по совершенствованию расчета железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами.

- новые данные о влиянии вида и количества стальной и композитной арматуры на характер трещинообразования и развития трещин в элементах, усиленных внешним армированием;

Научная новизна работы:

- на основе комплексных экспериментальных исследований с широким варьированием 10 факторов, получены новые данные по прочности, деформативности, трещиностойкости и ширине раскрытия нормальных трещин изгибаемых элементов изготовленных, усиленных и испытанных по единой методике;

- проанализированы новые данные о влиянии вида арматуры классов А500 и А600 и композитного материала на характер развития нормальных и наклонных трещин, в том числе при достижении стальной арматурой предельных деформаций;

- получены новые данные о характере развития нормальных трещин при изменении процентов внутреннего и наружного продольного армирования;

- установлена и обоснована новая форма разрушения усиленных балок при избыточном совокупном проценте продольного армирования;

- на основе новых экспериментальных данных установлена об эффективность торцовых анкеров при изменении процентов композитного армирования;

- предложены рекомендации по совершенствованию существующей в России расчетной модели для оценки прочности, деформативности с трещи-ностойкости железобетонных конструкций с рабочей арматурой повышенной прочности, усиленных композитными материалами;

- на базе экспериментальных данных автора и других исследователей, (всего 49 результатов), проведено сопоставление 3-х наиболее известных в России, Италии и США расчетных методик и дана оценка их эффективности.

Достоверность полученных результатов исследований и предложенных рекомендаций по расчету нормальных сечений усиленных композитными материалами изгибаемых железобетонных элементов при различных варьируемых факторах обеспечена научной обоснованностью и высоким уровнем статистической надежности, полученных при обработке большого количества результатов тщательно проведенных экспериментов.

Практическое значение и внедрение результатов работы На основе комплексного исследования несущей способности изгибаемых железобетонных элементов, которое, используя единую методику изготовления, усиления и испытания усиленных конструкций, позволило, с использованием метода прямого сопоставления получить новые или отсутствовавшие

ранее данные. Разработаны практические рекомендации по проектированию конструкций усиления. Рекомендации включают в себя: влияние на несущую способность железобетонных элементов, усиленных композитными материалами, класса рабочей арматуры разной прочности, в т. ч. не имеющей площадки текучести; поведение конструкции под нагрузкой при суммарных процентах стального и композитного армирования, превышающих граничный; роль и эффективность работы анкерных устройств для переармированных сечений при изменении вида композитного материала.

Внедре