автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность центрально и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном

994611559 На правах рукописи

косгенко

Анна Николаевна

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСГЬ ЦЕНТРАЛЬНО И ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ КИРПИЧНЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН, УСИЛЕННЫХ УГЛЕ-И СТЕКЛОВОЛОКНОМ

Специальность 05.23.01- «Строительные конструкции, здания и сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ОКТ 2010

Москва - 2010

004611559

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В. А. Кучеренко - ОАО «НИЦ «Строительство»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

- каццидат технических наук Грановский Аркадий Вульфович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

- доктор технических наук, профессор, Мадатян Сергей Агаотович

- кандидат технических наук, профессор, КунииЮрий Саулович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Московский государственный горный университет, кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт»

Защита состоится «16» ноября 2010 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИЦ «Строительство». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО «НИЦ» Строительство» http://www.cstroy.ru.

Автореферат разослан«./^.» 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат технических наук

Зикеев ЛН.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние 10+15 лет в России значительно увеличился объем работ по реконструкции зданий различного назначения с целыо продления их жизненного цикла.

Проблема повышения прочности кирпичных и железобетонных конструкций актуальна как при проектировании новых, так и в случае усиления существующих конструкций, а также при реконструкции старых зданий в связи с их надстройкой, увеличением уровня надрузки на конструкции или изменением размеров архитектурно-планировочных ячеек. Если при проектировании зданий и сооружений указанная проблема решается за счет применения высокопрочных материалов и армирования, то при реконструкции и усиления - за счёт использования конструктивных методов усиления: металлических или железобетонных (растворных) обойм, внешнего армирования или методом инъецирования.

Железобетонные, растворные и металлические обоймы позволяют значительно повысить несущую способность кирпичных и железобетонных конструкций, но трудоемки, требуют много времени на свое возведение, включают мокрые процессы и существенно увеличивают сечение усиливаемого элемента и, соответственно, вес конструкций.

В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом для усиления различных конструкций широко применяют композиционные материалы на основе стекло- и углеродного волокон. Эффективность применения этих материалов для усиления конструкций связана с тем, что их прочностные и деформативные характеристики (прочность при разрыве, модуль упругости и относительное удлинение при разрыве) существенно отличаются от аналогичных характеристик типовых материалов (металл, бетон, раствор), применяемых для усиления конструкций. Кроме этого, удельный вес композиционных материалов в 4-5 раз меньше, чем у стали, их можно использовать для усиления любых по форме конструкций. Эти материалы имеют малую толщину (от 0.1 до 2мм), легко

поддаются лреднапряжению, а в случае необходимости - легко ремонтируются. Составляющие композиционного материала являются долговечными и обладают хорошей выносливостью. Усиление композиционными материалами является менее трудоёмким и энергозатратным процессом по сравнению с другими способами усиления.

Отсутствие или незначительный объем исследований в области использования угле- и стекловолокон для усиления центрально- и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных конструкций, а так же отсутствие нормативной базы осложняет стоящую перед инженерами-конструкторами задачу по оценке уровня надежности принятых проектных решений по усилению конструкций материалами из угле- и стекловолокон.

Актуальность диссертационной работы обусловлена значительными объемами работ по реконструкции, ремонту и усилению зданий и сооружений, в том числе исторических памятников и памятников архитектуры, и возникающей в связи с этим проблемой рационального и надежного проектирования усиления конструкций с использованием композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон.

Цель диссертационной работы - на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований оценить влияние метода усиления центрально- и внецентренно сжатых кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн с использованием угле- и стекловолокон на их несущую способность и разработать методику расчета указанных конструкций.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных

столбов (простенков), усиленных материалом на основе углеволокна;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих железобетонных колонн, усиленных материалами на основе угле- и стекловолокна;

- методика расчета прочности центрально- и внецентренно сжатых несущих

кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн, усиленных углеродным или стекловолокнами в зависимости от прочностных характеристик композиционного материала и материала усиливаемых конструкций, а также принятых конструктивных схем усиления;

- рекомендации по применению композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон для усиления центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн в строительной практике.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков), усиленных материалом на основе углеволокна;

- экспериментально исследовано влияние различных схем усиления центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков) с помощью бандажей из углеволокна на их несущую способность. Выполнен анализ характера их разрушения в зависимости от принятых схем усиления;

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих железобетонных колонн, усиленных материалами на основе угле- и стекловолокна в зависимости от величины эксцентриситета приложения сил;

- экспериментально исследована эффективность применения для усиления центрально- и внецентренно сжатых несущих железобетонных колонн композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон.

Выполнен анализ характера их разрушения в зависимости от принятых схем усиления;

- по результатам экспериментальных исследований даны предложения по методике расчета несущих кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн, усиленных внешним армированием из композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон, и выполнена оценка существующих расчётных подходов к оценке прочности железобетонных колонн, усиленных

композиционными материалами.

Практическое значение работы:

- по результатам экспериментальных исследований получены данные о несущей способности центрально- и внеценгренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном как при дискретном расположении бандажей (полос) из композиционного материала по высоте конструкций, так и при сплошном их оборачивании (аналог железобетонной обоймы);

предложены эмпирические зависимости для оценки прочности кирпичных и железобетонных колонн, усиленных элементами внешнего армирования из композиционных материалов, для использования их в проектной практике при разработке проектов усиления;

результата экспериментальных исследований и предложенные зависимости были использованы проектировщиками при разработке проектов усиления несущих кирпичных столбов и простенков, а также железобетонных колонн с использованием композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон на строительных объектах на территории РФ.

Апробация работы осуществлена:

в докладе «Новый метод усиления кирпичных конструкций с использованием углеволокна» на 4-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2006;

- в докладе «Использование углеволокна для усиления каменных и железобетонных конструкций» на 8-ой Международной конференции в Университете г. Патрас, Греция, 16-18 июля 2007;

- в докладе «Использование углеволокна для усиления железобетонных колонн и кирпичных столбов» на 10-ой Юбилейной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 2526 апреля 2007;

- в докладе «Применение элементов внешнего армирования из углеволокна для усиления каменных конструкций» на семинаре «Применение углеволокнистых материалов в строительстве» в рамках выставки MosBuild, Москва, Конгресс-центр ЦБК «Экспоцентр», 6-9 апреля 2010.

Публикации:

Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 7-ми печатных трудах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка литературы и Приложений. Полный объем диссертации - 244 страницы, в том числе: 70 страниц печатного текста, 128 рисунков, 14 таблиц, библиографического списка использованной литературы из 64 наименований (позиций), 32 страницы Приложений.

Диссертационная работа выполнена в 2006+2009 гг. в Лаборатории кирпичных, блочных и панельных зданий и в Лаборатории сейсмостойких конструкцийОАО «НИЦ «СТРОИТЕЛЬСТВО»ДНИИСК им.В.А. Кучеренко под руководством кандидата технических наук A.B. Грановского и при консультации научного сотрудника А.Л. Мочалова (НИИЖБ им. A.A. Гвоздева).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, а также приведен перечень результатов исследований, выносимых на защиту.

Первая глава работы посвящена анализу состояния исследуемого вопроса и обоснованию выбранного направления исследований. Проведен обзор теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ по данной тематике, выполненных отечественными и зарубежными специалистами.

В России проблеме прочности и деформативности каменных конструкций, усиленных с использованием различных материалов (металл, железобетон, раствор) и схем, посвящены работы М.Д. Бровченко, С.Д. Дайдбекова, А.А. Даймова, А.А. Емельянова, В.А Камейко, Р.Н. Квитницкого, ВАКишкина, Н.М. Козлова, Н.С. Мещерякова, Н.С. Новожилова, Н.М. Онуфриева, С.В. Полякова, И.С. Реброва, В.К. Соколова, и др.

В работах Ю.В. Бондаренко, А.Н. Воронова, В,Т. Гроздова, А,Л, Шагина, и др. дан анализ различных вариантов усиления каменных и железобетонных конструкций при реконструкции зданий и сооружений.

Экспериментально-теоретические исследования работы центрально- и внецетренно сжатых железобетонных колонн, усиленных обоймой из стальных уголков, связанных между собой поперечными хомутами, выложены проф. А.П. Васильевым, Г.К. Байдельдиновой, В.Г. Жемчужниковым и Е.И. Гамаюновым.

Впервые в России применение композиционного материала в ввде приформованной 2-3 слойной полосы из стеклоткани при усилении каменных простенков было выполнено в 1982г специалистами Харьковского государственного технического университета.

Изучением работы железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами, занимались Е.З. Аксельрод, А.Л. Мочалов, Н.В. Фаткуллин, ЮГ. Хаютин, В. Л. Чернявский.

Под руководством проф. В.А. Клевцова в 2006 г опубликовано «Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами».

Подробный детальный анализ исследований в области усиления несущих железобетонных конструкций с использованием композитных материалов, изложение основ проектирования усиления изгибаемых железобетонных конструкций и технологии производства работ по их усилению представлен в работах д.т.н., проф., А. А. Шилина, к.т.н. В.А. Пшеничного и Д.М. Картузова.

Среди зарубежных исследований следует отметить работы специалистов Калифорнийского университета - й. Не§епиег, Б. БеМе, V. КагЬЬап. Б. МайЬув, Н. ТоШр, К. Аиёепаей, 1В. Маис!ег, М1 РпевЙу на основе экспериментальных исследований предложили расчётные модели поведения железобетонных

конструкций, усиленных композиционными материалами.

В заключении главы приведён анализ существующих за рубежом и в России методик расчёта несущей способности железобетонных и каменных конструкций, усиленных различными материалами. В России В.М. Бондаренко и А.Л. Шаганым на основе разработанной В.М. Бондаренко нелинейной теории железобетона предложена методика расчёта изгибаемых железобетонных элементов в стеклошгастиковой оболочке.

По результатам обзорного анализа сформулированы цели диссертационной работы и определены основные направления исследований.

Вторая глава посвящена экспериментально-теоретическим исследованиям прочности кирпичных столбов (простенков), усиленных полосами из углеволокнистой ткани. Программа экспериментальных исследований включала в себя испытания пяти серий образцов кирпичных столбов по три образца-близнеца в каждой серии. Как видно из рис.1, усиление образцов МП серий сечением 38x51см осуществлялось полосами из углеволокнистой ткани шириной 60мм в четыре слоя через 1,2 и 4 ряда по высоте столбов. В образцах 1У-Й серии усиление проводилось путём сплошного оборачивания кирпичных столбов углеволокнистой тканью в два слоя (моделировалась схема усиления в виде обоймы). Схема усиления образцов У-й серии сечением 38x77см была идентична образцам П-й серии.

Рис. 1. Вид экспериментальных образцов кирпичных столбов серий Г+У.

Из каждой поставленной с кирпичного завода партии кирпича изготавливались параллельно с экспериментальными (усиленными) образцами

кирпичных столбов I+V-й серий эталонные (неусиленные) образцы.

Результаты испытаний эталонных образцов позволяли оценить эффективность предложенного в данной работе способа усиления с помощью углеволокна относительно традиционных, неусиленных конструкций кирпичных столбов.

Для усиления кирпичных столбов использовалась углеволокнистая ткань марки «Sika Wrap Hex 230С», разработанная в Швейцарском институте исследований испытаний материалов, со следующими характеристиками (свойства исходного волокна): модуль упругости - 230 ООО МПа, прочность при растяжении -3 450 МПа, относительное удлинение при разрыве - 1.5%, поверхностная плотность - 230 г/м2, толщина ткани -0.12 мм.

Усиление кирпичных столбов с помощью углеволокна осуществлялось по следующей технологии: поверхность кладки на участках наклейки полос шириной 60 мм из углеволокнистой ткани очищалась от пыли и зачищалась наждачной бумагой; зачищенная поверхность покрывалась специальной грунтовкой марки «Sikaepocem medul» (водная дисперсия эпоксидной смолы). После этого поверхность кирпичной кладки выравнивалась с помощью тиксотропной безусадочной фиброшпатлёвки марки «Mapegrout Thixotiopic». Углеволокнистую ткань, нарезанную на полосы, наклеивали на поверхность кирпичной кладки с помощью клея «Sika dur» (клей на основе эпоксидной смолы) в четыре слоя.

Испытания образцов проводились по ГОСТ 8829-94. В начале и в конце каждой ступени нагружения производились замеры деформаций кладки с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0.01 мм. На одном из образцов 1-й, Ш-й и IV-й серий для оценки изменения напряженно-деформированного состояния полос усиления были использованы тензодатчики деформаций с базой L=50mm, наклеенные на полосы ткани из углеволокна.

Анализ результатов испытаний кирпичных столбов, усиленных полосами из углеволокна, позволяет отметить следующее:

- при нагрузках, составляющих (0.8-b0.9)xNse3p, происходит отслоение полос из углеволокна от поверхностикирпичной кладки. При этом, отслоение углеволокна начиналось с длинной стороны (Ь=51 см) опытного образца и происходило не по

9

Рис.2

клеевому контактному слою, а по поверхностному слою кирпича (фото на рис.2). То есть из-за высокой степени адгезии клеевого состава к материалу кладки прочность его сцепления с кирпичом превышала прочность

как ввдно из графика на рис. 3, усиленных образцах 1-й и П-й серии из-за наличия бандажей поперечные деформации кладок более чем в пять раз меньше, чем в эталонных

(неусиленных) образцах.

Следствие этого - увеличение несущей способности кладки за счёт более полного использования прочности её элементов: кирпича и раствора; Рис.3

- разрушение опытных образцов 1-й, П-й и У-й серий начиналось с разрыва наиболее напряжённой средней по высоте столба полосы из углеволокна (именно в этом сечении по высоте столба имеют место максимальные поперечные деформации) с последующим мгновенным разрушением (раздавливанием) кирпича;

- разрушению образцов Ш-й серии (рис. 1в) предшествовало, при нагрузках (0.7-0.8)хНразр, образование отдельных вертикальных трещин между полосами из углеволокна;

- в образцах Г/-й серии при нагрузках, составляющих (0.8+0.85)хЫрШр, на графиках N=^6) по данным тензодатчиков, приклеенных к ткани из углеволокна, было отмечено появление площадок текучести. Указанное свидетельствовало об удлинении ткани. При этом было отмечено её отслоение

поверхностного слоя кирпича. При этом,

Ы.еН 45Э-1

-образец 1-1 -эталон Э1-1

•0,3

от кирпича. В процессе дальнейшего нагружения образцов происходил разрыв обоймы с одновременным разрушением кладки;

- в образцах У-й серии сечением 38*77 см, усиленных полосами из углеволокна через два рада (как и в образцах Н-й серии) с установкой в середине длинной стороны поперечных связей из стержней 010, пропущенных через толщу кладки (рис. 1д), разрушение происходило как и в образцах П-й серии.

На рис. 4 показан характер разрушения образцов 1+У серий.

Рис.4

■ИРРЧ Шр приведены данные

H&g« , JtHc обработки результатов

Щшт^ , испытаний образцов

ЯЙУ * ЩШ^

ЩГГ'"" кирпичной кладки RV

ИНКя|||-;- '¡^Щ' серий.

Существующие эмпирические зависимости, определяющие прочность кладки, усиленной арматурными сетками или обоймами (стальной, железобетонной, растворной), имеют вид: R,= f (Ro, Ryc) (2.1)

где R, - прочность армированной (усиленной) кладки; Ro - прочность неармированной кладки; Ryc- приращение прочности кладки для заданного

В таблице 1

Сравнительный анализ результатов испытаний кирпичных столбов

Таблица 1

Серия (марка) образца Размеры поперечного сечения, см Относительная прочность кладки (%)

Эталон 38x51 100

1-я серия (через ряд) 38x51 240

И-я серия (через два ряда) 38x51 160 166

У-я (через два рвда+010) 38x77 172

Ш-я (через четыре ряда) 38x51 133

1У-я (целиком) 38x51 260

конструктивного решения усиления.

Учитывая, что при дискретном усилении кирпичных столбов (простенков) полосами из углеволокна, элементы усиления - бандажи -расположены не в объёме кладки (как это имеет место при армировании сеткой), а по её наружной поверхности, выполним оценку влияния бандажей из углеволокна на прочность кладки путём введения коэффициента поверхностного армирования кладки (процент армирования кладки по поверхности).

М„ое =-^-х100, где Мпов ~ коэффициент

--йи-! поверхностного армирования стен; - площадь

Рис.5. поперечного сечения полосы (бандажей) из углеволокна

толщиной 5пол, определяемая по формуле: 5 = 2 • 8пт ■ кпт - площадь

участка длинной стороны столба, приходящаяся на однуполосу из углеволокна

определяется по формуле: {кпол + Ь),

I

где

Ьст - длина большей стороны кирпичного столба;

Ищи, §пол - соответственно, высота и толщина полосы (бандажа из углеволокна); Ь- расстояние между полосами из углеволокна.

Формула для определения приращения прочности кладки, усиленной полосами из углеволокна будет иметь вид

^ " №гиж ' ^уг

100

(2.2),

На рис.6 приведены графики зависимости величии приращения прочности кладки,усиленной полосами из углеволокна, от расстояния между осями полос, построенными на основе формул, используемых при оценке прочности кладки, усиленной:

- железобетонной обоймой: к _. 3//2 х Д,»

* 100

- растворной обоймой:

- стальной обоймой:

1+2-Мг 100

Лх^ * 1 + 2.5100

(1) (2) (3)

Я

-углеволокном(предложение А.Л.Мочалова): л _ хк1-кг-ЯС1гЫт (4)

*~1+3,ц 100 2-й Я

- углеволокном (предложена в диссертации): л = у (5),

* 100

■ус, МП»

30

25

20

15

10

• • 1

* 2

—0—3

I 1 — с— 4

V.

ч > •

■ ~ —__ •

— »

0 5 10 15 20 25 30 35 40 <ем>

расстояния по высот« столба между поперечными элементами усиления

Рис.6

где /¿2 и /¿з - проценты армирования кладки по объёму, цпов - процент поверхностного армирования кладки.

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических величин прочности армированной кладки с использованием формулы, предложенной в диссертации, показывает, что она, в целом, достаточно точно позволяет оценить эффект усиления кладки обоймой. Подтверждением отмеченного является показанное на рис.7 сравнение результатов расчёта прочности кирпичных столбов по формуле (2.2), усиленных с помощью бандажей из углеволокна, и кирпичных столбов по формуле СНиП для кладки, усиленной арматурной сеткой 04 с ячейкой 40x40 мм, при идентичных схемах расположения бандажей и арматурных сеток.

X

240% 245% 260% 275%

133% 145% 160% 170% 172%

Рис.7

В третьей главе третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых железобетонных колонн при различных конструктивных схемах усиления композиционными материалами из угле- и стекловолокон.

Программа экспериментальных исследований включала в себя: - оценку эффективности применения рассмотренных конструктивных схем усиления железобетонных колонн углеволокном при различных величинах

эксцентриситета приложения нагрузки к конструкции;

оценку влияния различных конструктивных схем усиления железобетонных колонн элементами внешнего армирования из стекло- и углеволокон (устройство бандажей и обойм из угле- и стекловолокон, а также приклеивание композиционного материала в растянутой зоне сечения) на их несущую способность.

При проведении экспериментальных исследований были рассмотрены следующие конструктивные схемы усиления колонн:

- усиление с помощью обойм из угле- и стекловолокнистой ткани путем полного обёртывания (в два слоя для углеволокна и в один слой для стекловолокна) опытного образца (1-я серия, рис.8б);

- усиление с помощью бавдажных лент шириной 50 мм из угле- (в два слоя) или стекловолокон (в один слой), расположенных с определённым шагом (284 мм) по высоте образца и вдоль его растянутых граней (шириной 130 мм -для углеволокна, 80 мм- для стекловолокна) - образцы П-й серии, рис. 8в;

- усиление внецентренно сжатых колонн вертикальной полосой из углеволокнистой ткани, наклеенной в растянутой зоне бетона с трёх её сторон (Ш-я серия, рис.8г).

Схема армирования опытных образцов железобетонных колонн приведена на рис.9.

Образцы из тяжёлого бетона изготавливались на формовочных стендах ДСК-2. Одновременно с заводскими изделиями в экспериментальном корпусе ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко формовались колонны из полимербегона. Прочность тяжёлого бетона опытных образцов определялась в лаборатории ДСК-2. Контроль прочности бетона осуществлялся по результатам испытаний кубов 10x10x10 см, а также на основе использования неразрушающих методов контроля: методом отрыва со скалыванием и при помощи склерометра Шмидта.

Для усиления образцов колонн использовались композиционные материалы фирмы «Бйса», свойства исходных волокон которых приведены в табл. 2. Усиление образцов осуществлялось по следующей технологии: проводилась

4

ЦЯв

N

юг

4

_я_

1-1

ш Фл

. я 1.

4-4

щ т я

ЛЦ»

Рис. 8. Вид экспериментальных образцов железобетонных колонн: эталонные образцы (а) и образцы 1+Ш серий (б,в,г)

нн * № Ш

1 0,8 1

0,16 ода 4

4 « 046 № 4

5 1 $ 1 в» ода 24

17,12

12

206,44

Рис. 9. Схема армирования опытных образцов железобетонных колонн

разметка поверхности образцов железобетонных колонн в соответствии с

конструктивной схемой усиления, затем бетонная

Сравнительные характеристики композиционных материалов _Таблица 2

Свойства волокон композиционных материалов 1-я и П-я серии «Sika Wrap Hex 230С» (углеволокно) Ш-я серия «Sika Wrap 530С» (углеволокно) 1-я и И-я серии «Sika Wrap 100G» (стекловолокно)

Модуль упругости, МПа 230000 231000 76000

Прочность при растяжении, МПа 3 450 3 800 2 300

Относительное удлинение при разрыве, % 1.5 1.64 2.8

Толщина ткани, мм 0.12 0.293 0.36

поверхность образцов в местах наклейки волокна очищалась частиц цементного молока, пыли и шлифовалась (грани шлифовались с созданием угловых фасок радиусом 15мм). Зачищенные участки покрывались специальной грунтовкой Sikafloor EpoCem Modul в один слой при помощи кисти. Ткань композиционного материала, раскроенная на полосы необходимой длины, наклеивалась на подготовленную бетонную поверхность образца с помощью клея «Sikadur-330», имеющего следующие характеристики: плотность 1.31Г/СМ3; прочность на растяжения - 30 МПа; модуль упругости 3800 МПа (через 7 суток npntore= +23'С).

Испытания образцов проводились при центральном и внеценгренном приложении нагрузки (е=0,5 и 10 см) по ГОСТ 8829-94. Реальный эксцентриситет определялся по эпюре деформаций, полученной в процессе обжатия образца.

Измерения величин вертикальных деформаций осуществлялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0.01 мм. Кроме этого, в каждой серии железобетонных колонн не менее, чем на одном из образцов на бетоне и на композите были наклеены тензодатчики с базой 50 мм.

Замеры деформаций производились на кавдом шаге нагружения в два этапа: непосредственно после приложения нагрузки и после выдержки.

В соответствии с программой работ было испытано две группы эталонных образцов фрагментов колонн: из тяжёлого бетона и полимербетона. В табл.3 на

примере эталонных образцов показана схема обработки результатов испытаний, принятая в дальнейшем для образцов 1+Ш серий.

Результатов испытаний эталонных образцов колонн

Таблица 3

Марка Иаршшши 1фшмсши щлжп Стю. ^ (МПл) ТДПК11 ДОррВиМЦДЛ Ю1ГУ1КА. Прям цлшш пуп (Л»тип. <мпч сит тутгюнга ЖПГТ^К 1, * 1,Н ТодГЯПКг кАЛИИТПМ оммЛтп. Н, .1Л) "г и.

1 2 > 4 > ^ 1 ♦ 10 1Г

Э.1-1 24.8 1—6 28.4 0.(3 0.03 0.502 1.034 1М5 0.9? 0.99 100

'Э.1-2 2-1.$ 1*00 1тй 0.4 0.02 0.502 0.9»? 1*45 «¿1

•М-5 48.4 1 800 28.8 ».■» 030 0.525 0.608 1"»8 1.00

9,2-1 39.9 2 980 4",6 03« 0.01 0.38.4.15? 2 810 1.06

Э.2-2 39.» 2 900 4&4 0.24 0.01 0.18? 112? 2 810 из

Поскольку при разработке методики расчёта железобетонных колонн, усиленных углеволокном, рассматривалась возможность использования подхода, предложенного проф. А.П. Васильевым и Г.К. Байдельдиновой, то при анализе результатов экспериментальных исследований принимались во внимание следующие три случая внецентренного сжатия:

• 1-й случай (большие эксцентриситеты) - еО/Ь > 0.32. Прочность элемента характеризуется достижением растянутой арматурой её расчётного сопротивления либо раздавливанием бетона в сжатой зоне образца с потерей устойчивости (выпучиванием) сжатой арматуры;

• 2-й случай (малые эксцентриситеты) 0.32 > еО/Ь > 0.17. Предельное состояние элемента характеризуется наличием зон сжатия и растяжения;

• 3-й случай (самые малые эксцентриситеты) е0Л1 < 0.17. Поперечное сечение элемента полностью сжато.

Теоретическая несущая способность колонн определялась по формулам:

^еор=К-Аь+К-(А, + А,<) - Для З-п, случая (самых малых

эксцентриситетов);

ли = к • ь • х • (Ло - 0.5 • х) + • А\-(Н0 - а')]/е

- для 2-го и 3-го случаев (малых и больших эксцентриситетов).

На основе анализа результатов испытаний экспериментальных образцов 1-й серии (полное оборачивание - обойма) установлено следующее.

1. При разрушении опытных образцов 1-й серии (К>т1-1, Куг1-2, Кст1-1 и Кот1-2) имел место 3-й случай внецентренного сжатия. Разрыв полос как из углеволокнистой, так и из стекловолокнистой ткани происходил во всех образцах в их нижней зоне с одновременным разрушением (раздроблением)

бетона сжатой зоны. Причина разрыва полос из углеволокна - выпучивание участка рабочей арматуры между хомутами.

При этом максимальное поперечное усилие в зоне разрыва полосы из углеволокна составило^^КугХАуг = 34 500x2x0.012x15=12 420 кгс = 124.2 кН.

При установленном поперечном усилии величина деформаций растяжения

бетона класса В40 составила = -—---= 0.0958

Е АхЕ 15 х (2 х 0.012) х 360000

По данным СП 52-101-2003 величина предельных деформаций растяжения для бетона составляет 0.0001. Значительное различие в величинах деформаций растяжения, полученных из опыта и приведённых в нормах, обусловлено тем, что разрушение бетона произошло, в основном, из-за выпучивания арматуры.

2. При разрушении образца КуЛ-З (ео/Ь к 0.32) разрыв полосы из углеволокна произошёл в верхней зоне колонны. В этом же сечении в сжатой зоне имело место выпучивание арматуры в момент разрушения образца. Сравнение величин деформаций сжатия бетона (по данным индикаторов) и углеволокна (по данным тензодатчиков) позволяет констатировать, что при усилении железобетонных колонн с помощью двухслойной обоймы из углеволокнистой ткани, обойма из углеволокна и бетон колонн работают совместно до нагрузки, составляющей (О^^хГ^р.

В таблице 4 приведены результаты испытаний образцов колонн 1-й серии. Анализ полученных данных и сравнение их с результатами испытаний эталонных образцов (табл. 10) позволяет отметить следующее:

• увеличение несущей способности образцов 1-й серии, усиленных тканью из

углеволокна, путём двукратного их оборачивания, по сравнению с неусиленными образцами составило:

• при 3-м случае внеценгренного сжатия (случай самых малых эксцентриситетов - ео/Ь < 0.17) - 53%;

• при 1-м случае внеценгренного сжатия (большие эксцентриситеты - ео/Ь > 0.32)-33%;

• в случае применения для усиления образцов ткани из стекловолокон увеличение несущей способности составило 24%.

Результаты испытаний опытных образцов колонн 1-й серии _______Таблица 4

Марка ■ Орашр Нгртт щи II цоппм прошт блоха. Экстрами ТМЬОД рягудомвд Л^ОА) Пу*яея прпмст ц>в ШЛИ |МП»> цамнвн жагрпш ММ) \ ии Тюргалм-кмактеи У, «Я) "г (Н

1 2 ) * 1 7 1 ' > II 11

К, 1-1 3X4 з-м «1.0 «.11 0.434 1,(4» 2 400 1.М 1Л 1.4

Ц.12 «л 0.0» 0.414 1.И8 2 400 1.51

КрИ 48.4 2 «вв 41.« -.01 0.31» М» ».$«2 1»М из из 133

К„1-1 31.8 2 889 ш 0.112 0.446 1.311 2 30) 1.22 и 4 124

31.3 2 905 4«..< ЧЙ 0.М" 0.446 1.34« 2 303 и«

На основе анализа результатов испытаний экспериментальных образцов П-й серии, усиленных полосами из угле- и стекловолокнистой ткани (рис.7в), установлено следующее.

1. Разрушение опытных образцов П-й серии при ео/Ь < 0.17 (случай самых малых эксцентриситетов) характеризуется равномерным обжатием бетона в средней и опорной зонах колонн. В момент разрушения (раздробления) бетона сжатой зоны происходил одновременный разрыв полос из углеволокна и выпучивание продольной рабочей арматуры.

2. Разрушение опытных образцов при 0.32 > ео/Ъ > 0.17 (случай малых эксцентриситетов) характеризуется раздроблением бетона и выпучиванием арматуры в сжатой зоне бетона с одновременным появлением волосяных трещин в

растянутой грани бетона колонн. В момент образования трещин происходило отлипание вертикальных полос от поверхности бетона.

3. В опытных образцах П-й серии при eo/h > 0.32 при нагрузках, близких к разрушающей, (0.8S-K>.95)xNpeT, происходило отлипание вертикальной полосы из углеволокнистой ткани с образованием трещин в растянутой зоне образца. В момент разрушения имело место раздавливание бетона в сжатой зоне с выпучиванием арматуры и разрывом полос из стекловолокнистой ткани. То есть, в момент разрушения имело место исчерпание несущей способности сжатой зоны бетона и сжатой арматуры.

4. Сравнение величин деформаций бетона и вертикальных и горизонтальных полос из углеволокна, наклеенных на бетон показало, что при обжатии бетона надёжное сцепление ленты с бетоном обеспечивается до нагрузок, составляющих (0.5-Ю.6) xN^p. Напряжение в ленте в момент разрыва равно:

<W>= 2 300 000х2.4х10"3=5 520 кгс/см2 « = 34 500 кгс/см2

Такое значительное снижение величины напряжения, при котором произошёл разрыв полосы из углеволокнистой ленты, связано с тем, что в момент разрушения из-за местного выпучивания арматуры произошла не растяжка ленты, а её точечный разрыв.

Анализ результатов испытаний образцов П-й серии и сравнение их с показателями прочности эталонных образцов позволяет отметить следующее:

- при усилении опытных образцов колон бандажами (полосами) увеличение несущей способности для внецентренно сжатых колонн П-й серии при e</h < 0.17, составило 27% (для бандажей из углеволокна) и 18% (для бандажей из стекловолокна);

- при внецентренном сжатии колонн при 032 > еД > 0.17 и eo/h > 0.32 увеличение несушей способности колонн не установлено, т.е. эффект обоймы в этом случае отсутствует.

Следует отметить, что указанные результаты и выводы по ним достаточно хорошо совпадают с результатами испытаний железобетонных

колонн с внешним уголковым армированием, приведёнными в диссертационной работе Г.К. Байдельдиновой (1978 г), выполненной под руководством проф. А.1ЬВасильева.

Анализ результатов испытаний образцов Ш-й серии, усиленной путём наклейки ткани в один слой на растянутую зону бетонной поверхности колонн, показал следующее.

1. Цри достижении разрушающей нагрузки имело место образование наклонных волосяных трещин в растянутой зоне образца. При этом углеволокно в растянутой зоне образцов практически полностью восприняло усилие растяжения и позволило исключить разрушение конструкции на более ранней стадии. При этом, по данным измерений деформации с помощью индикаторов (на бетоне) и тензодатчиков (на углеволокне) напряжения в растянутой зоне на бетоне и углеволокнистой ткани в момент, близкий к разрушению, составили, соответственно, 21.8 МПа и 97.3 МПа.

2. Величины краевых напряжений в сжатой зоне бетона в момент, близкий к разрушению, составляли 48.2 МПа, при нормативной призменной прочности бетона 49.1 МПа.

3. Сравнение результатов испытаний образцов Ш-й серии с показателями прочности эталонных образцов позволяет отметить, что при внецентренном сжатии колонн (при С(/Ь ~ 0.32) увеличение несущей способности колонн составляет 18%.

В настоящее время в соответствии с рекомендациями «Руководства по усилению железобетонных конструкций композитными материалами» (2006г) несущую способность колонны рекомендуется определять по формуле:

Зависимость, приведённая выше, получена из формулы, предложенной Mander J.B. (1988г) при <ур = 70.3х^.

(3.1)

где R, =0.0038хАГ, xR^ Kt =2xt/ х^-

bh

^^1 = 2.254 /1 + 7.94— -2—-1.254 (3.2)

Зависимость (3.1) позволяет описать поведение экспериментального образца, заключённого в обойму из композиционного материала. То есть, она (расчётная модель) не учитывает возможности дискретного расположения углеволокнисгой ткани по высоте конструкции.

А.П.Васильевым и Г.К. Байдельдиновой на основе анализа результатов экспериментальных исследований работы железобетонных колонн с внешней арматурой в виде уголков, связанных между собой поперечными хомутами, было предложено использовать зависимость

К*пр=Ш|р+Кхв0, (3.3)

где 11*пр, Япр - соответственно, приведённая призменная прочность бетона, усиленного и неусиленного образцов; К - коэффициент, учитывающий эффект бокового давления и

принимаемый равным 4+5; с0 - величина бокового давления, которая определяется либо из расчёта конструкции методом КЭ, либо по предложенной авторами формуле

2 х/,х(а + Ь)ха, ■ ахЬх5

Е.Р. ШсЬай по результатам исследований поведения бетона при трёхосном напряжённом состоянии для железобетонных образцов, усиленных обоймами из композиционного материала, предложил следующую эмпирическую

„ _ 1 + вш Ф зависимость: = +-- х сг ,

где Иьо - приведенная призменная прочность усиленного обоймой бетона; - расчётная призменная прочность неусиленного бетона; 2 хЯ х? - радиальное напряжение в прямоугольном образце с

о*. =

*Jb2+h2 соотношением сторон b*h; Roo - расчётное сопротивление растяжению обоймы из

композиционного материала толщиной te; Ф - угол внутреннего трения бетона.

Согласно исследованиям проф. Г.А. Гениева и Е.Р. ШсЬаЛ наиболее характерное значение угла внутреннего трения составляет <р »37'.

При расчётной оценке приведённой прочности бетона экспериментальных образцов железобетонных колонн, усиленных углеволокном, в диссертации было предложено использовать эмпирическую зависимость в виде

К"пр=Нвр+4.1х<гг. (3.4)

^ хЬ г.

где а ~- , -. э и \ - соответственно, расстояния между

геометрическими осями бандажей из углеволокна и высота бандажа. При использовании обоймы (сплошное оборачивание) з=Ьуг.

В таблице 5 приведено сравнение экспериментальных значений нормативной призменной прочности бетона {К"пр) и разрушающей нагрузки (Нрвзр) с аналогичными характеристиками, вычисленными по формулам (3.1+3.4).

Результаты расчёта прочности железобетонных колонн 1-й серии (усиление с помощью обоймы из углеволокна)

Таблица 5

Марка обрата Эковрпм-талыви раадтаи»- кятупа. Норштштя прошнвая прочтт Стаа. Я'щ .МГЬ| Приманки щопмтаящвъжп втна. дотелтоя т формулам (МПаг /н»г)Пр* <"ПОГг/.НО(Тк Ь01ПННЬ[ — № (кН)

ОО ф-4» (511 паф-ор (»31 по ф-» (54) (51) (55) (54)

1 г 3 4 * 4 " 1 1 »

14,1-1 3*» 3X4 53.2 3"58 $«.4 5834 52.« 3*03 0 м ом 1.01

3«» 33.4 «3.2 3-58 $«.45834 52.«3"03 № ш »39

1*1-3 2 ««0 48.4 «».42"20 101^ 3390 «'.«2«М 0.9« 04' 0.98

КпЫ 2 800 31.« 52.8 Ш£ 34.8 5"54 51.0 3622 «.-* 0.49 0."

2 905 31.8 52.8 3616 84.85-34 51.63622 0.80 0.51 оло

Как видно из данных, приведённых в столбцах 7 и 9, результаты расчёта несущей способности колонн, усиленных обоймами из углеволокнистой ткани, по формулам (3.1) и (3.4) достаточно хорошо совпадают с результатами эксперимента.

Расхождение в результатах эксперимента и расчёта железобетонных конструкций, усиленных стекловолокном, связано, вероятно, с его

(стекловолокном) высокой деформативностью (относительное удлинение стекловолокна более чем в два раза выше, чем у углеволокна, что не учитывается в указанных эмпирических зависимостях.

В таблице 6 приведено сравнение экспериментальных значений нормативной призменной прочности бетона и разрушающей нагрузки с аналогичными характеристиками, вычисленными по формулам (3.3) и (3.4). При численном анализе формула (3.1) не рассматривалась, поскольку она не позволяет учесть дискретное расположение бандажей из углеволокна по высоте колонны.

Результаты расчёта прочности железобетонных колонн П-й серии (усиление с помощью бандажей из углеволокна)

Таблица 6

Марго ойртцт Экстрхыт-пш упрут лю- щая кигрутеа. А^(кН) Нортгганал оршмннал пргамп бетона, А! <МП») Прю*д««кпл вдвывшм прорость ¿«тею.иппглпиодго формулы tMn.it /»^фя стмйтт ко»жы-№ 1жН1 И^П,

поф-ю «Л» поф-» (»41 (>■»)

» 2 1 4 1 6 i

КугМ ззоо 3<5.8 46.13316 40.2 294" 1.09 1.12

3 586 -10.3 49.6 3534 43.-3164 1.01 1.13

'<500 50.Р 602 2191 54.32000 1.19 1.30

2зоо ЗО'З 46.11632 40.2 1456 1.41 1.58

Кит« 1-«з ■»3.5 52.81093 46.9991 1.63 1.80

1 550 -135 52.8 1035 46.9 934 1.50 1.66

К«М 2 "58 з:.з 41.6 3034 35." 2664 0.91 1.03

¡16- з- ? 46.81874 40.9 166" 1.16 1.30

2 Ш ЗР.Р 49.21926 43.31*20 1.11 1Л4

1600 33.4 42.-945 3",8 в38 1.6» 1.91

Как видно из результатов расчёта, приведённых в столбцах 6 и 7, достаточно хорошие совпадения экспериментальных данных с результатами расчёта имело место только для случаев малых эксцентриситетов и центрального приложения нагрузки. Для случая больших эксцентриситетов расхождения между экспериментальными данными и расчётными значениями существенны. Это подтверждает отмеченный выше факт, что при больших эксцентриситетах эффект от усилении конструкций с помощью бавдажей отсутствует.Сравнение результатов расчёта по формулам (3.3) и (3.4) позволяет отметить, что при использовании формулы (3.4) имеет место больший запас прочности.

В четвёртой главе приведены описания объектов, на которых были внедрены результаты экспериментально-теоретических исследований, полученных в данной диссертационной работе. Результаты исследований были использованы как при усилении каменных, так и железобетонных конструкций.

В пятой главе на основе отечественного и зарубежного опьгга применения композиционных материалов на основе углеволокна для усиления конструкций дана оценка долговечности материала. По данным зарубежных источников срок службы составляет 4СН-50 лет. По данным, приведённым в работе д.т.н. A.A. Шилина, при длительных испытаниях (более 500 ООО часов) коэффициент длительной прочности составил для углеволокна - 0.91, для стекловолокна - 0.3. То есть углеволокно практически не подвергается ползучести.

Вопросы повышения огнестойкости композиционных материалов решаются в настоящее время за счёт применения специальных огнезащитных покрытий -«Барьер», «Монолит» (разработка проф. Ю.В, Кривцова) и специальных огнезащитных панелей «Promate.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведённых экспериментально-теоретических исследований прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном, решены следующие задачи.

1.Впервые получены данные о прочности и деформативности центрально - и внецентренно сжатых кирпичных колонн (простенков) с соотношением сторон 1:1.3 и 1:2, усиленных полосами из углеволокнистой ткани, при различном её расположении по высоте конструкции.

2.На основе анализа результатов экспериментальных испытаний центрально- и внецентренно сжатых кирпичных колонн (простенков), усиленных дискретно по высоте образцов полосами из углеволокнистой ткани, предложена эмпирическая зависимость для оценки их прочности.

3.Получены экспериментальные данные о прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых железобетонных колонн, усиленных полосами из угле- и стекловолокон, при различных эксцентриситетах приложения сил к образцам.

Установлено, что при еД >0.32 (случай больших эксцентриситетов) эффект от усиления колонн полосами (бандажами) из угле- и стекловолокон отсутствует.

4.Проанализированы существующие расчётные методики при оценке прочности железобетонных колонн, усиленных углеволокном. Установлена область

их применения в зависимости от принятой конструктивной схемы усиления (обойма или дискретно расположенные по высоте конструкций бандажи из углевсшокна).

5.Предложена эмпирическая зависимость для оценки прочности железобетонных колонн, усиленных дискретно расположенными по их высоте полосами из угле- и стекловолокон.

6.Полученные на основе экспериментально-теоретических исследований результаты рекомендованы для применения в инженерной практике при разработке проектов усиления кирпичных и железобетонных колонн.

Эффективность предложенных методов усиления подтверждена практикой строительства при проведении работ по реконструкции зданий и сооружений.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Грановский A.B., Костенко А.Н., Мочалов А.Л. Усиление кирпичных конструкций с использованием элементов внешнего армирования из углеродного волокна.// «ПГС», 2006, №7.-С. 47- 48.

2. Грановский A.B., Костенко А.Н., Мочалов А.Л. Повышение прочности кирпичных конструкций реконструируемых зданий. // «Жилищное строительство», 2006, №2. - С. 22- 23.

3. Костенко А.Н., Бедов А.И. Новый метод усиления кирпичных конструкций с использованием углеволокна.//Сборник докладов. Четвертая международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов. Строительство- формирование среды жизнедеятельности. - М.: МГСУ, 2006 (апрель).- С. 92-94.

4. Грановский A.B., Костенко А.Н., Мочалов А.Л. Новый подход к усилению кирпичных конструкций уникальных зданий - памятников архитектуры и истории.// «ПГС», 2007, №3.-С. 32- 33.

5. Грановский A.B., Костенко А.Н., Мочалов А.Л. Усиление железобетонных колонн каркасных зданий в сейсмоопасных районах с использованием элементов внешнего армирования из углеволокна.// «Сейсмостойкое строительство.Безопасность сооружений»,2007,№2.-С.36- 38.

6. Костенко А.Н., Бедов А.И. Использование углеволокна для усиления железобетонных колонн и кирпичных столбов.//Научные труды. Юбилейная Десятая межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов. Строительство- формирование среди жизнедеятельности. - М.: МГСУ, 2007 (25-26 апреля). - С. 88-92.

7. Granovskiy A., Kostenko A. Use of carbon fibers for strengthening masonry and reinforced concrete structures. The eighth International Symposium on Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures (FRPRCS-8), University of Patras, Department of Civil Engineering, Patras, Greece, 2007, pp. 682-683.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 06.10.2010 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,5 Печать авторефератов (495)730-47-74,778-45-60

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Способы усиления железобетонных и каменных конструкций.

1.2. Методы усиления центрально- и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных конструкций на основе использования стекло- и углеволокна.

1.3. Расчетная оценка несущей способности усиленных кирпичных и железобетонных колонн.

1.4. Обоснование выбранного направления исследования и его задачи.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ КИРПИЧНЫХ СТОЛБОВ И ПРОСТЕНКОВ, УСИЛЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАМИ ВНЕШНЕГО АРМИРОВАНИЯ ИЗ УГЛЕВОЛОКНА.

2.1. Описание опытных образцов кирпичных столбов, усиленных углеволокном.

2.2. Описание элементов и технологии усиления опытных образцов

2.3. Методика испытаний.

2.4. Результаты испытаний опытных образцов кирпичных столбов и их анализ.

2.4.1. Результаты испытаний кирпичных столбов эталонной и 1-й серий.

2.4.2. Результаты испытаний кирпичных столбов П-й серии.

2.4.3. Результаты испытаний кирпичных столбов Ш-й серии.

2.4.4. Результаты испытаний кирпичных столбов IV-й серии.

2.4.5. Результаты испытаний кирпичных столбов V-й серии.

2.5. Методика определения прочности кирпичной кладки столбов и простенков, усиленных углеволокном.

2.6. Анализ результатов испытаний.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН, УСИЛЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАМИ ВНЕШНЕГО АРМИРОВАНИЯ ИЗ УГЛЕ- И СТЕКЛОВОЛОКОН.

3.1. Программа экспериментальных исследований железобетонных колонн, усиленных угле-и стекловолокном.

3.2. Описание опытных образцов железобетонных колонн и элементов усиления. Технология изготовления и усиления опытных образцов.

3.3. Методика испытаний опытных образцов железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном.

3.4. Результаты испытаний экспериментальных образцов фрагментов железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном и их анализ.

3.4.1. Результаты испытаний эталонных образцов железобетонных колонн и их анализ.

3.4.2. Результаты испытаний опытных образцов железобетонных колонн 1-й серии и их анализ.

3.4.3. Результаты испытаний опытных образцов железобетонных колонн П-й серии и их анализ.

3.4.4. Результаты испытаний опытных образцов железобетонных колонн Ш-й серии и их анализ.

3.4.5. Методика определения прочности железобетонных колонн, усиленных углеволокном.

Глава 4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРАКТИКУ СТРОИТЕЛЬСТВА.

Глава 5. К ВОПРОСУ О ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ И

ОГНЕСТОЙКОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕВОЛОКНА.

5.1. Долговечность углеволокна.

5.2. Огнестойкость компонентов композиционных материалов.

В последние 10-К15 лет в России значительно увеличился объем работ по реконструкции (в т.ч. реставрации и капитальному ремонту) зданий различного назначения с целью продления жизненного цикла существующих объектов и приведения конструкций зданий в соответствие с требованиями современных нормативных документов как в части прочности, так и повышения их энергоэффективности.

Работы, связанные с восстановлением эксплуатационной надежности зданий и сооружений в процессе их реконструкции или устранения последствий техногенных воздействий (землетрясения, деформации оснований и т.д.), являются достаточно сложными и дорогостоящими.

К усилению строительных конструкций приходится прибегать не только при реконструкции и техническом перевооружении предприятий, но и вследствие физического износа конструкций или появления в них дефектов и повреждений, связанных с техногенными процессами или механическими воздействиями на конструкции. Этим и обусловлен повышенный интерес к проблеме усиления существующих строительных конструкций.

Проблема повышения прочности кирпичных и железобетонных конструкций актуальна как при проектировании новых, так и в случае реконструкции старых зданий в связи с их надстройкой, увеличением уровня нагрузки на конструкции или изменением размеров архитектурно-планировочных ячеек. Если при проектировании зданий и сооружений указанная проблема решается за счет применения высокопрочных материалов и армирования, то при реконструкции - путем использования конструктивных методов усиления: металлических или железобетонных (растворных) обойм, внешнего армирования или методом инъецирования конструкций специальными растворами.

Применение метода усиления с использованием металлических или железобетонных обойм ведет к увеличению размеров поперечного сечения конструкций и изменению их конфигурации и теплотехнических характеристик. Толщина набетонки в этом случае с каждой поверхности кирпичного или железобетонного столба (колонны, стены) составляет по рекомендациям [1] не менее 4 см. В случае же использования металлических обойм или поперечных арматурных стержней (хомутов) при железобетонной (растворной) обойме кроме увеличения размеров простенков возникает проблема, связанная с изменением теплотехнических характеристик конструкций в связи с образованием мостиков холода и, как следствие этого, появлением конденсата на внутренней поверхности стены в зоне уголковых обойм или поперечных арматурных хомутов, пропускаемых через кладку. Помимо этого, установка замкнутой металлической обоймы при наличии в межоконном простенке кирпичных четвертей весьма проблематична, ибо требуется изменение конфигурации поперечного сечения простенка, т.е. срез кирпичных четвертей.

В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом для усиления различных конструкций широко применяют композиционные материалы на основе стекло- и углеродного волокон. Эффективность применения этих материалов для усиления конструкций связана с тем, что их прочностные и деформативные характеристики (прочность при разрыве, модуль упругости и относительное удлинение при разрыве) существенно отличаются от аналогичных характеристик типовых материалов (металл, бетон, раствор), применяемых для усиления конструкций. Кроме этого, углеволокно невосприимчиво к агрессивным внешним факторам и по сравнению, например, с металлоконструкциями, применение углеволокна не вызывает каких-либо затруднений при усилении конструкций практически с любой формой поперечного сечения.

Отсутствие или незначительный объем исследований в области использования угле- и стекловолокон для усиления центрально- и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных конструкций, а так же отсутствие нормативной базы осложняет стоящую перед инженерами-конструкторами задачу по оценке уровня надежности принятых проектных решений по усилению конструкций.

Актуальность диссертационной работы обусловлена значительными объемами работ по реконструкции, ремонту и усилению зданий и сооружений, в том числе исторических памятников и памятников архитектуры, и возникающей в связи с этим проблемой рационального и надежного проектирования усиления конструкций с использованием материалов на основе угле- и стекловолокон.

Диссертационная работа посвящена выявлению особенностей работы центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн, усиленных угле- или стекловолокном.

Цель диссертационной работы - на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований оценить влияние метода усиления центрально- и внецентренно сжатых кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн с использованием угле- и стекловолокон на их несущую способность и разработать методику расчета указанных конструкций.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков), усиленных материалом на основе углеволокна;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих железобетонных колонн, усиленных материалами на основе угле- и стекловолокна;

- методика расчета прочности центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн, усиленных углеродным или стекловолокнами в зависимости от прочностных характеристик композиционного материала и материала усиливаемых конструкций, а также принятых конструктивных схем усиления;

- рекомендации по применению композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон для усиления центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн в строительной практике.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков), усиленных материалом на основе углеволокна;

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых несущих железобетонных колонн, усиленных материалами на основе угле- и стекловолокна;

- экспериментально исследовано влияние различных схем усиления центрально- и внецентренно сжатых несущих кирпичных столбов (простенков) с помощью бандажей из углеволокна на их несущую способность;

- получены и проанализированы схемы разрушения центрально- и внецентренно сжатых кирпичных столбов (простенков), усиленных углеволокном;

- получены и проанализированы схемы разрушения центрально - и внецентренно сжатых несущих железобетонных колонн, усиленных внешним армированием из композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон;

- экспериментально исследовано влияние усиления (внешнего армирования) из различных материалов (углеволокна и стекловолокна) на несущую способность центрально- и внецентренно сжатых несущих железобетонных колон;

- экспериментально исследована эффективность принятой модели усиления железобетонных колонн с помощью бандажей из угле- и стекловолокон при различных эксцентриситетах приложения нагрузки к образам;

- по результатам экспериментальных исследований даны предложения по методике расчета несущих кирпичных столбов (простенков) и железобетонных колонн, усиленных внешним армированием из композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон, и выполнена оценка существующих расчётных подходов к оценке прочности железобетонных колонн, усиленных композиционными материалами.

Практическое значение работы:

- по результатам экспериментальных исследований получены данные о несущей способности центрально- и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном как при дискретном расположении бандажей (полос) из композиционного материала по высоте конструкций, так и при сплошном их оборачивании (аналог железобетонной обоймы);

- предложены эмпирические зависимости для оценки прочности кирпичных и железобетонных колонн, усиленных элементами внешнего армирования из композиционных материалов, для использования их в проектной практике при разработке проектов усиления;

- результаты экспериментальных исследований и предложенные зависимости были использованы проектировщиками при разработке проектов усиления несущих кирпичных столбов и простенков, а также железобетонных колонн с использованием композиционных материалов на основе угле- и стекловолокон на строительных объектах на территории РФ.

Апробация работы осуществлена:

- в докладе «Новый метод усиления кирпичных конструкций с использованием углеволокна» на 4-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2006 -С.92-94;

- в докладе «Использование углеволокна для усиления каменных и железобетонных конструкций» на 8-ой Международной конференции в Университете г. Патрас, Греция, 16-18 июля 2007- С.682-683;

- в докладе «Использование углеволокна для усиления железобетонных колонн и кирпичных столбов» на 10-ой Юбилейной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 25-26 апреля 2007;

- в докладе «Применение элементов внешнего армирования из углеволокна для усиления каменных конструкций» на семинаре «Применение углеволокнистых материалов в строительстве» в рамках выставки МобВшИ, Москва, Конгресс-центр ЦВК «Экспоцентр», 6-9 апреля 2010.

Публикации:

Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 7-ми печатных трудах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка литературы и Приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате проведённых экспериментально-теоретических исследований прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых кирпичных и железобетонных колонн (простенков), усиленных угле- и стекловолокном, решены следующие задачи.

1. Впервые получены данные о прочности и деформативности центрально - и внецентренно сжатых кирпичных колонн (простенков) с соотношением сторон 1:1.3 и 1:2, усиленных полосами из углеволокнистой ткани, при различном её расположении по высоте конструкции.

2. На основе анализа результатов экспериментальных испытаний центрально- и внецентренно сжатых кирпичных колонн (простенков), усиленных дискретно по высоте образцов полосами из углеволокнистой ткани, предложена эмпирическая зависимость для оценки их прочности.

3. Получены экспериментальные данные о прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых железобетонных колонн, усиленных полосами из угле- и стекловолокон, при различных эксцентриситетах приложения сил к образцам.

Установлено, что при ео/Ъ >0.32 (случай больших эксцентриситетов) эффект от усиления колонн полосами (бандажами) из угле- и стекловолокон отсутствует.

4. Проанализированы существующие расчётные методики при оценке прочности железобетонных колонн, усиленных углеволокном. Установлена область их применения в зависимости от принятой конструктивной схемы усиления (обойма или дискретно расположенные по высоте конструкций бандажи из углеволокна).

5. Предложена эмпирическая зависимость для оценки прочности железобетонных колонн, усиленных дискретно расположенными по их высоте полосами из угле- и стекловолокон.

6. Полученные на основе экспериментально-теоретических исследований результаты рекомендованы для применения в инженерной практике при разработке проектов усиления кирпичных и железобетонных колонн.

Эффективность предложенных методов усиления подтверждена практикой строительства при проведении работ по реконструкции зданий и сооружений.

1. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений // ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. М.: Стройиздат, 1984. - 36 с.

2. Бедов А.И., Сапрыкин В.Ф. Обследование и реконструкция железобетонных и каменных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений: учебное пособие M.: АСВ, 1995. - 192 с.

3. Астафьев Д.О. Расчет реконструируемых железобетонных конструкций. -СПб., 1995.-158 с.

4. Беленцов Ю.А. Усиление каменных стен и простенков с учетом упругопластической работы каменной кладки реконструируемых жилых зданий: дис. . канд; техн. наук: 05.23.01 / Беленцов Юрий Алексеевич. СПб., 2001.-148 е.: ил.

5. Пильдиш М.Я. Усиление поврежденных кирпичных простенков и столбов обоймами / Бюллетень строительной техники. 1946. - №11. - С.23-27

6. Пильдиш М.Я., Поляков C.B. Каменные и армокаменные конструкции зданий. М.: Гос. Издат., 1955. - 400 с.

7. Камейко В.А., Квитницкий Р.Н. Усиление кирпичных столбов обоймами / В.А. Камейко, Р.Н. Квитницкий // Ученые труды ЦНИПС за 25 лет (19271952): сб. статей / сост. Г.С. Тихомиров. М. : Гос. изд-во лит. по строительству и архитектуре, 1952. - С. 134 -149.

8. Камейко В.А., Квитницкий Р.Н. Прочность кирпичной кладки, включенной в обойму / В.А. Камейко, Р.Н. Квитницкий // Исследования по каменным конструкциям: сб. статей. М.: Стройиздат, 1957. - С. 14 —51.1.

9. Еремин К.И., Шрмяков М:Б., Нищета С.А. Реконструкция гражданских зданий: учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 1998. - 141 с.

10. Мальганов А.И., Плевков B.C., Полшцук А.И. Восстановление и усиление строительных конструкции, аварийных и реконструируемых зданий: атлас схем и чертежей. Томск, 1990. - 316 с.

11. Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП П-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования) // ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя СССР. М:: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 152 с.

12. Хило Е.Р., Попович Б.С. Усиление строительных конструкций. — Л.: Высшая школа, 1985. 156 с.

13. Ищук М.К., Фролова И.Г., Ищук Е.М. Усиление каменных конструкций // ПГС. 2006. - №8. - С. 28-30.

14. Гроздов В.Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. СПб., 1998 - 97 с.

15. Гроздов В.Т. Дефекты каменных зданий и методы их устранения // СПб ВВИСУ. СПб., 1994. - 146 с.

16. Методические рекомендации по усилению железобетонных конструкций на реконструируемых предприятиях // НИИСК Госстроя УССР. -Киев, 1984.-116 с.

17. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений // НИИСК. М.: Стройиздат, 1989. - 104 с.

18. Реконструкция зданий и сооружений: учебное пособие для строит, спец. вузов / А.Л. Шагин, Ю.В. Бондаренко, Д.Ф. Гончаренко и др. / под ред. А.Л. Шагина. -М.: Высшая школа, 1991 -352 с.

19. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. Л.: Стройиздат, 1975. 334 с.

20. Реконструкция промышленных зданий и сооружений: Передовой опытIнаучных исследований, проектно-конструкторских разработок, технологии и организации строительства / под редакцией Е.В. Горохова. М.: Стройиздат, 1988. -136 с.

21. Чемпион С. Дефекты и ремонт бетонных и- железобетонных сооружений. -М.: Стройиздат, 1967. 152 с.

22. Онуфриев Н.М. Исправление дефектов изготовления и монтажа сборных железобетонных конструкций промышленных зданий. JL: Стройиздат, 1971.159 с.

23. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций изменением их конструктивной схемы. М.: Стройиздат, 1949. - 88 с.

24. Рекомендации по ремонту и восстановлению железобетонных конструкций полимерными составами // НИИЖБ Госстроя СССР. М., 1986. -28 с.

25. Захаров С.Т. Опыт усиления конструкций промышленных зданий: Обзор.-М., 1973.-36 с.

26. Рекомендации по восстановлению и усилению крупнопанельных зданий полимеррастворами, ТбшшзНИИЭП, 1984. 111 с.

27. Исмаил А.Х. Восстановление и усиление элементов строительных конструкций и частей зданий после воздействия обычных средств поражения: автореф. дис. . канд. техн. наук. -М., 1993. 15 с.

28. Леонович С. Вопросы технологии усиления строительных конструкций. Развитие способов усиления И Строительство и недвижимость. 2004. - № 31. -С. 31-34.

29. Ханов Н.М. Прочность и деформативность кирпичной кладки при местном сжатии с учетом её инъецирования модифицированными полимерными композициями: автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1993. -28 с.

30. Физдель И.А. Дефекты в конструкциях, сооружениях и методы их устранения. М.: Стройиздат, 1987. - 335 с.

31. Васильев А.П. Железобетон с жёсткой арматурой. М. - Л.: Госиздат, 1941.-123 с.

32. Киевское отделение ВГПИ «Теплоэлектропроект» (ТЭП), КИСИ. Научно-технический отчёт «Испытание элементов и узлов составных исквозных конструкций главных корпусов ТЭС из унифицированных брусков». Киев, 1964.-158 с.

33. Жемчужников В.Г. Исследование несущей способности внецентренно сжатых железобетонных элементов с внешним армированием: сб. «Строительные материалы и конструкции», Киев, 1971. С. 44 -48. вып. 4.

34. НИИСК Госстроя СССР. Научно-технический отчёт «Экспериментально-теоретическое исследование несущей способности и трещиностойкости центрально и внецентренно-сжатых элементов брускового сечения с учётом явления «обоймы». Киев, 1969-1970. - 158 с.

35. Артемьев В.П., Еркинбеков А. Исследование внецентренно сжатых элементов с групповым расположением продольной арматуры // Бетон и железобетон. 1976. - № 6 - С. 12- 13.

36. Гамаюнов Е.И., Смирнов Н.В. Влияние поперечной арматуры на несущую способность конструкций // Транспортное строительство. 1968 -№2-С.21-22.

37. Байдельдинова Г.К. Прочность железобетонных колонн с внешним уголковым армированием: дис. . канд. техн. наук. -М., 1978.-201 с.

38. Гамаюнов Е.И. Исследование влияния поперечного армирования на несущую способность центрально-сжатых железобетонных элементов при статическом и многократно повторном воздействии нагрузок: автореф. дис. . канд. техн. наук. -М., 1970. 26 с.

39. Карманова И. Реставрация кирпичных стен с применением полимеров // Будмайстер. Харьков, 2002. - №7. - С. 17.

40. Бетонные структуры. Укрепление структур с помощью технологии TFC: проспект фирмы Freyssient / Представительство в Москве: Софийская наб.,34в, оф.503. -М., 2000.-29 с.

41. Hegemier G., Seible F., Karbhari V. The use of fiber reinforced polymers to mitigate natural and man-made hazards // FRPRCS-8 Symposium, Patras, 2007, CD.

42. Хаютин Ю.Г., Чернявский B.JL, Аксельрод Е.З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций // Бетон и железобетон. -2003. -№ 1. С. 25-29.

43. Чернявский B.JL, Аксельрод Е.З. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами //Жилищное строительство. 2003. - № 3. -С.15-16.

44. Хаютин Ю.Г., Чернявский B.JL, Аксельрод Е.З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций // Бетон и железобетон. -2002,-№6.-С. 17-20.

45. П1илин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.М. Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами. М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2004. - 144 с.

46. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.М. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2007. - 184 с.

47. Teng J.G., Chen J.F.,Smith S.T., Lam L. FRP Strengthened RC Structures. -Copyright © John Wiley&Sons, Ltd, 2002. 245 p.

48. I.A.E.V. Shehata, L.A.V. Cameiro and L.C.D. Shehata. Strength of Short Concrete Columns Confined with CFRP Sheets // Materials and Structures. 2002. -Vol.35.-P. 50-58.

49. Matthys S., Toutanji H., Audenaert K. Axial Load Behavior of Large-Scale Columns Confined with Fiber-Reinforced Polymer Composites // ACI Structural Journal. 2005. - March-April - P. 258-267.

50. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами / ООО «Интераква», НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, М., 2006. 114 с.

51. Mander J.B., Priestly M.J.N., Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete // ASCE Journal of Structural Engineering. 1988. - Уо1.114. -№8.-P. 1804-1826.

52. Бондаренко В.М., Шагин A.JI. Расчет эффективных многокомпонентных конструкций М.: Стройиздат, 1987. - 175 с.

53. ГОСТ 530-2007. Кирпич и камни керамические. Общие технические условия. Взамен ГОСТ 530-95; введ. 2008-03-01. - М.: Стандартинформ, 2007.-38 с.

54. ГОСТ 5802-86. Растворы строительные. Методы испытаний. -Взамен ГОСТ 5802-78; введ. 1986-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1986. - 22 с.

55. Sika. Технология и концепция укрепления несущих конструкций системы Sika Carbo Dur / пер. с англ. -М.: ООО «Зика», 2000. 20 с.

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

57. СНиП И-22-81*. Каменные и армокаменные конструкции. Взамен СНиП П-В.2-71; введ. 1983-01-01. - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. -40 с.

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

59. ГОСТ 18105.0-86. Бетоны. Правила контроля прочности. Взамен ГОСТ 18105.0-80; введ. 1987-07-01. -М.: Изд-во стандартов, 1987. - 18 с.

60. Новое в проектировании бетонных и железобетонных конструкций: монография / А.А.Гвоздев, С.А.Дмитриев, Ю.П.Гуща и др./под ред.А.А. Гвоздева. -М.: Стройиздат, 1978. 204 с.

61. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. Введ. 2004-03-01. - М.: ГУП «НИИЖБ», ФГУП ЦПП, 2004. - 53 с.

62. Железобетонные и каменные конструкции: учебник /P.O. Бакиров, В.М. Бондаренко, В.Г. Назаренко и др. / под ред. В.М. Бондаренко. изд. 5-е, стереотипное. - М.: Высшая школа, 2008. - 887 с.

63. Richart F.E., Brandtzaeg A.,Brown R.L. A study of the failure of concrete under combined compressive stress, Engineering Experimental Station, Bulletin No. 185, 1928, University of Illinois.

64. Гениев Г.А., Киссюк B.H., Тюпин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона М.: Стройиздат, 1974. - 316 с.