автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность железобетонных балок, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности

На правах рукописи

СЛ/уСОС^

Григорьева Яна Евгеньевна

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОМ НА СТАДИИ, БЛИЗКОЙ К ИСЧЕРПАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ОКТ ¿013

Москва - 2013

005533740

005533740

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Купин Юрий Саулович

Официальные оппоненты: Тамразян Ашот Георгиевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры «Железобетонные и каменные конструкции»

Грановский Аркадий Вульфович

кандидат технических наук, ОАО «НИЦ «Строительство», заведующий лабораторией обследования и усиления строительных конструкций

Ведущая организация: ОАО «ЦНИИПромзданий»

Защита состоится «14» октября 2013 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 на базе ФГЮУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129377, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд.9, «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «13» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

— Каган

Павел Борисович

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования обусловлена значительными объемами работ по восстановлению и усилению железобетонных конструкций зданий и сооружений, находящихся в стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, имеющих трещины и сверхнормативные прогибы. В связи с этим возникает проблема надежного проектирования усиления конструкций с использованием композиционных материалов на основе волокон, материалов с эффективными механическими свойствами.

В конце XX века строители обратили на них внимание ввиду уникальных свойств, вследствие чего системы усиления на основе волокон получили широкое распространение во всем мире и оказались наиболее продуктивными для обеспечения надежности конструкций, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности.

Применение углепластиков позволяет не только повысить прочность таких конструкций, но и увеличить жесткость, тем самым продлить срок эксплуатации.

Важно отметить, что с проблемой повышения прочности конструкций проектировщики нередко сталкиваются и при новом строительстве.

В нашей стране объем исследований в этой области незначительный. Изучены лишь отдельные факты. Имеется обширный опыт применения данной технологии усиления за рубежом, но в России отсутствуют нормативные документы, которыми проектировщики могут пользоваться при расчетах усиления вышеуказанных конструкций.

На сегодняшний день отсутствуют инженерные методы расчета железобетонных конструкций, усиленных углепластиками, под нагрузкой с учетом стадии их работы.

Является актуальной задача накопления экспериментальных данных, необходимых для уточнения расчетной схемы и дальнейшего совершенствования методики расчета изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием из углепластиков.

Цель диссертационной работы:

Обосновать повышение прочности и жесткости изгибаемых железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, в том числе и за границей переармирования.

Достижение поставленной цели предопределило задачи исследования:

- изучить и проанализировать мировой опыт исследования прочности и деформативности усиленных углепластиком железобетонных балок;

- исследовать влияние внешнего армирования из углепластика на рост прочности и жесткости экспериментальных образцов;

- выявить формы трещинообразования и разрушения экспериментальных образцов после усиления элементами внешнего армирования из углепластика;

- предложить инженерную методику расчета для изгибаемых железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика.

Актуальность диссертационной работы обусловлена возможностью расширить область применения внешнего армирования из углепластиков в качестве материалов для усиления конструкций, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, имеющих деформации, прогибы и трещины.

На защиту выносятся:

1) Методика эксперимента, позволяющая реально оценить вклад внешнего армирования в работу железобетонных балок, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

2) Результаты экспериментальных исследований прочности железобетонных балок, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

3) Результаты экспериментальных исследований деформативности и трещиностойкости железобетонных балок, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, усиленных углепластиком;

4) Расчетная схема для анализа прочности и жесткости изгибаемых железобетонных элементов на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, при усилении углепластиком, отражающая действительную работу усиленных изгибаемых железобетонных элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Получены экспериментальные данные о прочности и жесткости поврежденных изгибаемых железобетонных балок, усиленных углепластиками, за границей переамирования;

2) Предложена инженерная методика расчета изгибаемых конструкций, предварительно доведенных до стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, с внешним армированием из углепластика, в рамках которого рассматривается дальнейшая работа конструкции «в» и «за» пределами переармирования;

3) Доказана возможность восстановления прочности и жесткости (после усиления) изгибаемых железобетонных элементов практически до первоначальных значений, которые были утрачены в результате нагружения;

4) Использована расчетная схема внецентренного сжатия для анализа прочности и жесткости изгибаемых элементов, усиливаемых на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

5) В расчетной схеме железобетонных балок, усиленных углепластиком, впервые отражено разгружающее действие элемента внещнего армирования (за счет «вантового» эффекта), обусловленное геометрическим фактором — наличием начальной кривизны;

6) Доказан эффект сдерживания роста имеющихся трещин и отсутствия новых трещин в результате усиления изгибаемых железобетонных балок элементами внешнего армирования из углепластика.

Практическое значение работы:

- получены экспериментальные данные о прочности и жесткости железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

усиление изгибаемых железобетонных элементов углепластиком позволило в несколько раз повысить прочность и жесткость образцов, в том числе за границей переармирования;

- по результатам экспериментальных исследований даны предложения по методике расчета изгибаемых железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика;

полученные результаты экспериментального исследования свидетельствует о разгружающей способности углепластикового армирования за счет возникновения «вантового» эффекта;

- предложена методика оценки прочности и жесткости железобетонных балок, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, усиленных внешним армированием из углепластика, что существенным образом расширяет сферу применения углепластика в качестве материала для усиления предаварийных и аварийных конструкций; подтверждает возможность восстановления их несущей способности;

- полученные результаты позволяют наиболее полно реализовать высокие механические свойства элементов внешнего армирования из углепластика, что приводит к более экономичному их использованию.

Обоснованность и достоверность представленных результатов основывается на использовании известных допущений теории железобетона, подтверждается экспериментальными данными исследований образцов с варьируемыми характеристиками и результатами численного моделирования.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в

строительной науке и образовании» (г. Москва, 2011 г.), на заседаниях кафедры «Испытание сооружений» 11 апреля и 4 сентября 2012 года, на Заседании научно-технического совета ИСА МГСУ по отделению №1 «Строительство и архитектура» 12 марта 2013 года, изложены в 10 опубликованных статьях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья в сборнике трудов международной научной конференции.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Работа изложена на 150 страницах печатного текста, содержит 15 таблиц, 53 рисунка, список литературы из 85 наименований и 3 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность техническому директору группы компаний «Практик» Мочалову A.J1. за ценные научные рекомендации и помощь, оказанную при работе над диссертацией.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность экспериментального исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость выбранного направления.

В первой главе по результатам проведенного анализа теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных ученых сформулированы задачи экспериментального исследования.

Технология внешнего армирования изгибаемых железобетонных конструкций углепластиками интенсивно изучается во всем мире, что свидетельствует об актуальности темы. Теоретические разработки в области

эффективного применения полимеров, армированных углеволокнами, в качестве материалов для усиления поврежденных конструкций немногочисленны, что подтверждает важность поставленной цели экспериментального исследования.

Благодаря ряду преимуществ, таких как: малый собственный вес и толщина, высокая способность к линейно - упругому деформированию, стойкость к коррозии, легкость установки, - композиционные материалы находят все большее применение в строительстве. Несмотря на сравнительно высокую стоимость, композиционные материалы, при сравнении стоимости системы усиления, сопоставимы или даже превосходят традиционные материалы, как по стоимости, так и по таким показателям, как: скорость монтажа, собственный вес, сохранение габаритов усиленной конструкции, обеспечение связи между материалом усиления и самой конструкции.

Технологию усиления различных видов конструкций внешним армированием углепластиками изучают за рубежом Н. Saadatmanesh, M.R. Ehsani, G. Tumialan, E.A. Ritchie и другие. В нашей стране последние 12 лет активно изучаются методы усиления конструкций композиционными материалами такими учеными, как: В.Л. Чернявский, Е.З. Аксельрод, A.B. Панков, В.А. Клевцов, А.А.Шилин, В.А. Пшеничный, A.B. Грановский.

Главная задача любого метода усиления - обеспечение надежности и долговечности поврежденных конструкций после усиления. Теория деформирования бетона с трещинами подробно изложена Н.И.Карпенко.

Особенно важно расширение использования композиционных материалов для внешнего усиления железобетонных конструкций с целью противодействия различным чрезвычайным ситуациям. Снижению рисков в строительстве посвящены работы А.Г. Тамразяна.

Множество экспериментальных исследований деформативности и трещиностойкости железобетонных конструкций выполнено В.И. Колчуновым, Б.С. Расторгуевым. Вопросам деформирования и разрушения конструкций в

запредельных состояниях посвящены работы Н.В. Клюевой, Г.А. Гениева. Вопросами совершенствования методов расчета строительных конструкций занимаются такие ученые, как H.H. Трекин, В.Н. Сидоров, С.И. Дубинский.

В настоящее время оценка несущей способности усиленных внешним армированием из углепластиков элементов конструкций производится по зарубежным методикам, изложенным в действующих международных Нормах.

Рекомендательный характер носит «Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами», в котором за основу приняты некоторые положения норм США. Но многие формулы недоработаны и не проверены экспериментально. В работах отдельных авторов подчеркнуто, что применение зарубежных Норм в Российской Федерации существенно ограничено, так как в них заложены гипотезы и подходы, отличающиеся от тех, что реализованы в российских Нормах. Вопросы гармонизации европейских норм с российскими рассматриваются в работах В.О. Алмазова.

В результате проведенного анализа существующих исследований сделаны следующие выводы:

1) Вопрос повышения прочности и жесткости изгибаемых конструкций, усиленных углепластиком, изучен недостаточно, существующие методики расчета требуют экспериментального подтверждения и корректировки;

2) Отсутствуют исследования прочности и жесткости изгибаемых конструкций с частичной или полной потерей несущей способности;

3) Инженеры нуждаются в методике расчета, которую можно применить при проектировании усиления внешним армированием из углепластика для железобетонных изгибаемых конструкций на любой стадии их работы, в том числе и на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

4) При конструировании систем усиления необходимо учитывать целый ряд факторов, влияющих на разрушение образцов при усилении, особенности их трещинообразования.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию.

В изгибаемых конструкциях, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, имеющих прогибы и трещины, фактический изгибающий момент в нормальном сечении можно представить так:

Мф= Мб- Я/, (1)

где: Мф, М6 - фактический и «балочный» изгибающие моменты в нормальном сечении усиленной железобетонной балки, тм; Г - прогиб балки до усиления, м; Н — усилие в углепластике, т.

При усилении железобетонных балок на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, углепластик влияет не только на прочность нормального сечения, но и, в силу больших начальных прогибов конструкции, создает разгружающее усилие (рисунок 1), обусловленное так называемым «вантовым эффектом», вследствие чего увеличивается и жесткость.

р р

Рисунок 1 - Схема работы конструкции, усиленной углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности (при больших деформациях)

Предполагается, что углепластиковое внешнее армирование создает разгружающий момент ввиду возникновения распора. И балку можно рассматривать как внецентренно сжатую. Величину разгружающего усилия от углепластика невозможно рассчитать. В связи с новизной данного подхода, анализ разгружающей составляющей момента от углепластика представляется возможным только по результатам эксперимента.

Для изучения работы нормального сечения балок, усиленных на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности (при больших деформациях, прогибах и трещинах), проведено экспериментальное исследование - испытаны 20 образцов шириной 190 мм и высотой 120 мм (армирование в виде трех стержней диаметром 8 мм А400 расположено по нейтральной оси), имеющих одинаковые характеристики, методом нагружения статической нагрузкой по схеме четырехточечного изгиба (рисунок 2) при нормальной влажности и температуре на установках Form test и Instron.

Согласно программе эксперимента образцы предварительно нагружали до стадии, близкой к исчерпанию несущей способности (первый этап).

Нагрузка на образец передавалась через распределительную траверсу в виде двух сосредоточенных сил в средней части пролета как показано на схеме (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема нагружения образцов и испытательный стенд

Был принят шаг нагружения от 5 до 10 кН, кратность и выдержка ступеней одинаковые для всех балок. Одна из опор обеспечивала подвижность при трении от нормальных сил, допуская перемещение образца вдоль пролета, поэтому образец можно рассматривать как шарнирно опертый. Для измерения вертикального перемещения сечения балки, подвергаемой изгибу, в середине пролета был установлен индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм, также использовался электронный прогибомер 80Р-50С.

На втором этапе балочные образцы усиливались по нижней грани внешним армированием из углепластика с варьированием его площади сечения и повторно доводились до разрушения. Из 20 испытанных образцов 4 эталонных были испытаны без усиления, по 4 образца каждой последующей серии - усилены внешним армированием из углепластика в 1 - 4 слоя соответственно. Система усиления состояла из полос однонаправленного углеволокна (толщина 0,131 мм; прочность на растяжение 4300 МПа; модуль Юнга при растяжении 238000 МПа) и эпоксидного клея. Характерные нормативные диаграммы «напряжение -деформация» для различных видов композитов представлены на рисунке 3, граничное значение деформации растяжения для углепластиков составляет 2%.

Рисунок 3 - Нормативные диаграммы «напряжение - деформация»: CFRP-углеволокно; AFRP - полимеры, армированные арамидным волокном; GFRP-полимеры, армированные стекловолокном; mild steel - стальная арматура

Кроме наклейки волокна вдоль растянутой грани, дополнительно были наклеены поперечные бандажи симметрично относительно центра балки (рисунок 4). Поперечные бандажи исключали также возможные нежелательные формы разрушения, полученные другими исследователями, такие как отрыв углепластика на опорах и разрушение балок по наклонным сечениям. В зоне чистого изгиба на выбранных участках (рисунок 4) для контроля деформаций растяжения и сжатия были наклеены тензометрические датчики с базой 60 мм, показания снимались прибором ТС-32К.

ОС ^ Р'Л ^-- Ір 2

і- - <=—і- —1- —і- —

■ - -ь 1 \Tpacm **

У_830_у

Рисунок 4 - Схема усиления образца и наклейки тензодатчикові 1 - углепластик по растянутой грани; 2 - углепластиковые бандажи; ОС - ось симметрии; Тсж и Траст - тензодатчики для измерения деформаций сжатой и растянутой зон

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования и расчет прочности усиленных конструкций. По результатам экспериментального исследования получены значения предельного изгибающего момента (рисунок 5).

2,2 2,2 2,2 2,2 1,9 ± Я Я Я Я

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Номер образца

Рисунок 5 - Гистограмма экспериментальных предельных значений изгибающих моментов: образцы 1-4 -эталонные; 5-8 - усиленные 1 слоем углепластика; 9 - 12 - усиленные 2 слоями углепластика; 13 — 16 — внешнее армирование 3 слоями углепластика; 17 - 20 - внешнее армирование 4 слоями

Графики «нагрузка - деформация» усиленных образцов представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Графики зависимости «нагрузка - деформация» для образцов, усиленных одним (а); двумя (б); тремя (в) и четырьмя (г) слоями углепластика:

—.....деформации растяжения;-------деформации сжатия

Схемы разрушения образцов, усиленных различным количеством углепластика, существенно отличаются друг от друга (рисунок 7).

На основании анализа результатов экспериментальных исследований усиленных образцов установлено следующее:

1) Разрушение эталонного неусиленного образца происходило вследствие действия изгибающего момента по нормальным сечениям;

2) При усилении балок приклейкой углепластика в один слой происходил разрыв углепластика, а потом его отслоение;

3) При усилении в два и более слоев - разрушение образцов происходило по бетону сжатой зоны с последующим разрывом углепластика.

Г)

Рисунок 7 - Разрушение усиленных образцов:

а) при одном слое углепластикового армирования; б) при двух слоях; в) при трех слоях углепластика; г) при армировании в четыре слоя

Макскиалькая изгибающая нагрузка М

По результатам эксперимента, на основании полученных величин изгибающих моментов (рисунок 5) можно утверждать, что с ростом площади сечения внешнего армирования растёт прочность по нормальному сечению: при увеличении площади в 4 раза, т.е. с 0,25 см2 до 1,0 см2, прочность по нормальному сечению выросла в 2,3 раза.

На основании результатов расчета прочности усиленных образцов согласно «Руководству по усилению железобетонных конструкций композитными материалами» сделаны следующие выводы:

- Методика может быть использована для анализа прочности усиленных углепластиком нормальных сечений при изгибе в пределах границы переармирования и без учета стадии деформирования;

- Для анализа нормальных сечений, работающих на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, применение данной методики некорректно;

- Результаты расчета указывают на нецелесообразность увеличения сечения углепластика более двух слоев.

Для оценки прочности нормальных сечений экспериментальных образцов, в том числе за границей переармирования, предложено использовать схему внецентренного сжатия (результаты расчета - Таблица 1). Применимость данной схемы подтверждена работами профессора Т.М. Пецольда, кроме того продуктивность данной расчетной схемы обусловлена необходимостью учета предварительного искривления геометрической оси экспериментальных образцов.

Высоту сжатой зоны определили по формуле, в которой приведенные характеристики углепластиковой внешней арматуры использованы вместо соответствующих характеристик металлической арматуры:

Значение предельного изгибающего момента определено из условия:

М < Яь Ъ х (к0 - - ~ Л0 (3)

Таблица 1 - Определение значений разгружающего момента

Количество слоев углепластика, псагьоп, шт. Площадь углепластика, АсагЬо„, СМ2 Усилие в углепластике, N„,rt,on. кг Высота сжатой зоны, х, см Напряжение в растянутой углепласти-ковой арматуре, асаЛоп, кг/см2 Предельный изгибающий момент,тм Байтовая составляющая, разгружающий момент, M„i,.,а|т тм

расчетный, Mult.theor экспериментальный, Mult, ехр

1 0,25 559 2,50 30400 0.83 0,950 0,120

2 0,50 2380 3,88 25520 1,12 1,325 0,205

3 0,75 4284 4,40 24020 1,14 1,975 0,835

4 1,00 7540 5,08 21768 1,55 2,200 0,650

График зависимости величины предельного изгибающего момента от площади углепластика представлен на рисунке 8.

Площадь углепластика, АсагЬо„, см2

Рисунок 8 - График зависимости предельного изгибающего момента от площади углепластика:---------- - экспериментальный и---------- - расчетный момент, тм

Из графика (рисунок 8) видно, что разница между расчетной и экспериментальной величинами предельного изгибающего момента составляет не более 15 процентов в пределах границы переармирования, затем увеличивается до максимального значения 45 процентов при трех слоях углепластика (0,75 см2).

Наблюдаемая в экспериментальном исследовании разница между указанными выше значениями, обусловлена возникновением разгружающей составляющей момента, вызванная «вантовым» эффектом (рисунок 9).

Этот эффект наиболее заметен при интенсивном нарастании прогибов и постепенно уменьшается при наращивании сечения. Линейно - упругая работа углепластикового внешнего армирования обеспечивает повышение изгибной жесткости вплоть до разрушения сжатой зоны.

Расчетная схема изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием из углепластика, уточненная экспериментально, доказывает, что эффективность приклейки углепластика на растянутую грань (при обеспечении достаточной анкеровки и предотвращении развития наклонных трещин в сечении) обусловлена разгружающим действием момента, «вантовой» его составляющей.

а)

0,25 0,5 0,75 1 Площадь углепластика,

А„,ь„„, СМг

0,8 I 0,6

| 0,4

Е 0,2

3 слоя _Ж %4сл<

<^^^2 слоя

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4

Предельный изгибающий момент,

М„|, „„ тм

б)

Рисунок 9 - График зависимости величины «вантовой» составляющей момента от площади внешнего армирования (а) и предельного изгибающего

момента (б)

Условие прочности при усилении углепластиком может быть преобразовано:

где Mui, вант - «вантовая» составляющая изгибающего момента.

При значениях усилия в углепластике до 2,38 т расчетная модель внецентренного сжатия дает от 13 до 18 процентов приближение расчетных и экспериментальных величин предельного момента (рисунок 10). В диапазоне усилий в углепластике от 2,38 до 4,28 т происходит существенное (до 73 процентов) приращение предельного момента, рассчитанного по модели внецентренного сжатия, которая дает постоянное значение предельного момента.

Результаты эксперимента подтвердили предположение об изменении расчетной схемы железобетонных балок, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности. Выявлена «вантовая» составляющая, величина разгружающего момента от внешнего армирования.

М < Rb Ъ х (h0 - f)

— h0 + MultBaHT,

(4)

2,5

О

1

2

З

4

5

6

7

8

Усилие в углепластике, Nc„bon, т

Рисунок 10 - График зависимости усилия в углепластике от предельного

изгибающего момента: ---------- - экспериментальный предельный изгибающий

момент, Миі,схр;---------- - расчетный предельный изгибающий момент, Миц,іьеог

По результатам расчета образцов, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, в программном комплексе АЫБУЗ получены диаграммы, отражающие характер деформирования экспериментальных образцов (рисунок 11).

Из графика (рисунок 11 ,г) видно, что с нарастанием напряжения происходит резкое нарастание перемещений. В зоне предразрушения деформации образца растут, но нагрузка уже не увеличивается. При увеличении процента армирования (более 4 слоев) прочность уже не увеличится. Следовательно, армирование в четыре слоя - это граница целесообразности использования углепластика (уже переармированного сечения).

Прогиб, £ мм

нгчгрпания нгпшги способности

а)

Нагрузка, Р, т

Прогиб, £, мм

б)

Нагрузка, Р, т

Прогиб, £ мм

в)

?ац *о в (И Нагрузка, Р, т

г)

Рисунок 11 - Графики изменения прогибов усиленных образцов от нагрузки при одном слое (а); двум (б); трем (в) и четырех (г) слоях углепластика

В четвертой главе оценена деформативность образцов, усиленных на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности. С использованием экспериментальных величин деформаций растяжения (е+между трещинами) И нормативных деформаций углепластика, определено значение \|/сагьоп (Таблица 2), коэффициента, учитывающего работу бетона растянутой зоны на участке с трещинами, по формуле:

е+с

~ФсагЬоп = ---(5)

ьпогт ,carbon

Таблица 2 - Определение величины коэффициента Ч^ьм,

Кол- Макси- Продоль- Деформации Относительные Средние Норматив- ^carbon

во мальный ная сила, растяжения деформации дефор- ные дефор-

слоев изгиба- N, кг (углепл.) арматуры по мации мации

угле- ющий на участке трещине, растяже- растяжения

плас- момент, между + £ трещ ния, В ср углеплас-

тика, М„„, theor, трещинами, тика,

п, шт кгсм £ между треш ^попп. carbon

1 95000 559 0,003 0,014 0,008 0,018 0,5

2 132500 2380 0,005 0,009 0,007 0,018 0,4

3 197500 4284 0,006 0,009 0,007 0,018 0,4

4 220000 7540 0,007 0,007 0,007 0,018 0,4

По результатам экспериментального исследования рассчитаны кривизна и жесткость (Таблица 3) усиленных образцов по формулам:

1 _ Afr_ 1рcarbon _ , _ФЬ1 , N carbon . /¿-ч

+ т. г. J + г' —й—:—' w

р hz Есагьоп Acari)0n F\j Е^ V h Еcarbon A carbon

D = Mul\"p (7)

При увеличении площади углепластикового армирования жесткость выросла в 2,2 раза (рисунок 12).

Таблица 3 - Определение жесткости усиленных образцов

Относительная Предельный Коэф- Площадь Коэф- Кривизна

высота сжатой изгибающий фициент сжатой фициент элемента, Жесткость,

зоны, \ момент, ч-ь зоны, Ft,, V 1/р *10"3 D *107

М„|, ехр, тм см2

0,21 0,95 0,9 47,88 0,45 1,6 5,92

0,32 1,325 72,96 1,6 8,28

0,37 1,975 84,36 1,7 11,72

0,42 2,2 95,76 1,7 13,15

Площадь углепластика, АсагЬоп, см2

Рисунок 12 - График зависимости жесткости усиленного образца от площади внешнего армирования

В заключении представлены основные выводы экспериментально -теоретического исследования:

1) Целесообразность применения элементов внешнего армирования из углепластика для усиления железобетонных балок, на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, доказана экспериментально;

2) Принципиальным отличием разработанной методики экспериментального исследования конструкций является факт усиления на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

3) Эффективность применения данного метода усиления выражается в повышении прочности - с ростом площади углепластика в 4 раза - в 2,3 раза;

4) Эффективность применения данного метода усиления выражается в повышении жесткости в 2, 2 раза при увеличении площади углепластика в 4 раза;

5) Для расчета изгибаемых элементов использована схема внецентренного сжатия (с использованием приведенных характеристик материалов). Новизна представленной методики заключается в учете разгружающего действия углепластикового внешнего армирования при работе образцов после усиления за счет возникновения «вантового» эффекта;

6) Отсутствие дополнительных трещин после усиления образцов углепластиком подтверждает повышение их трещиностойкости;

7) Расчет с использованием численного моделирования показал высокую сходимость результатов по расчету прочности с экспериментальными и подтверждает качественно характер работы усиленных углепластиком балок;

8) Результаты проведенного исследования использованы при разработке конструктивных решений в ООО «Бюро внедрения», г. Москва.

Основные публикации по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1) Григорьева, Я.Е. Применение композиционных материалов для усиления железобетонных конструкций / Я.Е. Григорьева // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». - 2011. - № 1. - т.2. - С. 244 - 247.

2) Григорьева, Я.Е. Проблемы применения технологии усиления изгибаемых железобетонных конструкций внешним армированием углеродным волокном / Я.Е. Григорьева // Журнал «Промышленное и гражданское строительство». - 2011. - № 11. - С. 60 - 61.

3) Григорьева, Я.Е. Экспериментальное исследование влияния внешнего армирования изгибаемых железобетонных балок углеволокном на прочность и жесткость конструкций / Я.Е. Григорьева // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». - 2011. - №8. - С. 181-185.

4) Григорьева, Я.Е. Современные проблемы применения композиционных материалов для усиления бетонных конструкций в России / Я.Е. Григорьева // Журнал «Естественные и технические науки». - 2012. - №4. - С. 366 - 367.

5) Григорьева, Я.Е. Modem problème of using fiber-reinforced polymers for strengthening of concrete constructions in Russia / Я.Е. Григорьева // Журнал «Естественные и технические науки». - 2012. - №4. - С. 367 - 368.

В прочих изданиях:

1) Кунин, Ю.С. Модель внешнего армирования железобетонных изгибаемых конструкций / Ю.С. Кунин, A.JI. Мочалов, Я.Е. Григорьева // Сборник научных трудов «Предотвращение аварий зданий и сооружений». -2010.-№ 9.-С. 590 -593.

2) Кунин, Ю.С. Модель внешнего армирования железобетонных изгибаемых конструкций [Электронный ресурс] / Ю.С. Кунин, A.JI. Мочалов, Я.Е. Григорьева // Интернет - портал «Наука и безопасность». - 2010. - Режим доступа: http://www.pamag.ru/pressa/modeI-ercs.

3) Григорьева, Я.Е. Снижение вредного влияния на экологию путем перехода от металлических обойм к применению углеволокна при усилении железобетонных колонн / Я.Е. Григорьева // Сборник трудов Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - 2011. - т.2. — С. 32 -35.

4) Григорьева, Я.Е. Экспериментальное исследование разрушения железобетонных балок, усиленных композиционными материалами, армированными волокнами / Я.Е. Григорьева // Периодический журнал научных трудов «Фэн-наука». - 2012. - №8. - С. 4 - 6.

5) Григорьева, Я.Е. Modem problems of using FRP materials for strengthening of reinforced concrete structures in Russia / Я.Е. Григорьева // Ежемесячный научный журнал «Молодой ученый». — 2012. - №8. - С. 23 - 25.

Григорьева Яна Евгеньевна

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК, УСИЛЕНННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОМ НА СТАДИИ, БЛИЗКОЙ К ИСЧЕРПАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛИЦЕНЗИЯ ПД № 00608 Формат 60x84/16 1,5 усл. п.л. Бумага офсетная 80 гр. Тираж 100 экз. Заказ № 175 Отпечатано с готовых о/м в типографии «МЕДИНА-Принт» ул. Селезневская д. 11А стр. 1 тел.: (495) 943-26-80

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201365627

Григорьева Яна Евгеньевна

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОМ НА СТАДИИ, БЛИЗКОЙ К ИСЧЕРПАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Ю.С.Кунин

Москва - 2013 г.

Оглавление

Введение........................................................................ 5

Глава 1 Актуальность вопроса исследования. Задачи работы................................................................................... 11

1.1 Международный опыт исследования прочности и жесткости изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных полимерами, армированными различными типами волокон................................................................................... 16

1.2 Исследования трещинообразования изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композиционными материалами............................................................................ 22

1.3 Нормативные документы по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами на основе различного типа волокон............................................................................. 33

1.4 Анализ методик расчета прочности и деформативности элементов конструкций, усиленных внешним армированием композиционными материалами................................................... 36

1.5 Выводы. Задачи экспериментального исследования............ 43

Глава 2 Экспериментальное исследование прочности и трещиностойкости железобетонных балок, усиленных

45

углепластиком, под нагрузкой...........................................

2.1 Расчетные предпосылки экспериментального исследования........................................................................... 45

2.2 Программа проведения эксперимента................................... 50

2.3 Описание опытных образцов. Механические свойства бетона и арматуры.................................................................. 52

2.4 Физико - механические свойства материалов системы усиления................................................................................. 59

2.5 Технология усиления железобетонных конструкций элементами внешнего армирования из углепластика.......................... 62

2.6 Методика проведения эксперимента..................................................64

2.7 Выводы........................................................................................................................71

Глава 3 Анализ результатов экспериментальных исследований......................................................................... 72

3.1 Результаты испытаний образцов.................................... 72

3.1.1 Результаты испытаний эталонных образцов..................... 72

3.1.2 Результаты испытаний усиленных образцов..................... 75

3.1.2.1 Оценка влияния увеличения площади углепластика на несущую способность образцов по результатам эксперимента.............. 80

3.1.2.2 Исследование деформирования и разрушения изгибаемых железобетонных элементов.......................................... 81

3.2 Оценка прочности усиленных образцов.......................... 83

3.2.1 Расчетная оценка прочности усиленных образцов согласно Руководству по усилению железобетонных конструкций композитными материалами............................................................................ 83

3.2.2 Определение относительной высоты сжатой зоны усиленных образцов.................................................................. 88

3.2.3 Деформации экспериментальных образцов...................... 90

3.3 Оценка прочности усиленных образцов по результатам полученных экспериментальных данных......................................... 96

3.4 Численное исследование поведения изгибаемых железобетонных элементов при помощи программного комплекса ANSYS.................................................................................... 107

3.5 Выводы.................................................................... 113

Глава 4 Оценка деформативности усиленных образцов, получивших значительные повреждения до усиления........... 115

4.1 Оценка деформаций усиленных образцов........................ 115

4.2 Определение кривизны оси при изгибе и жесткости железобетонных элементов на участке с трещинами....................... 118

4.3 Прогибы усиленных образцов....................................... 124

4.4 Выводы................................................................... 126

Заключение.................................................................... 127

Список литературы......................................................... 129

Приложение А Свидетельство о поверке................................. 139

Приложение Б Задача для численного моделирования экспериментальных образцов, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, с использованием программного комплекса ANS YS................................................... 140

Приложение В Справка о внедрении результатов диссертационного исследования................................................... 150

Введение

Актуальность темы исследования обусловлена значительными объемами работ по восстановлению и усилению железобетонных конструкций зданий и сооружений, находящихся в стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, имеющих трещины и сверхнормативные прогибы. В связи с этим возникает проблема надежного проектирования усиления конструкций с использованием композиционных материалов на основе волокон, материалов с эффективными механическими свойствами.

Системы усиления внешним армированием из углепластиков наиболее конкурентоспособные для обеспечения надежности и долговечности поврежденных конструкций зданий и сооружений. На сегодняшний день это самый «бережный» метод усиления, не требующий значительных трудозатрат, дающий возможность не только в разы увеличить прочность конструкций, но и избежать коррозии элементов конструкций.

Композиционные материалы, армированные волокнами, - новые материалы в строительстве. В конце XX века строители обратили на них внимание ввиду уникальных свойств, вследствие чего системы усиления на основе волокон получили широкое распространение во всем мире и оказались наиболее продуктивными для обеспечения надежности конструкций, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности.

Применение углепластиков позволяет не только повысить прочность таких конструкций, но и увеличить жесткость, тем самым продлить срок эксплуатации.

Важно отметить, что с проблемой повышения прочности проектировщики нередко сталкиваются и при новом строительстве.

В нашей стране объем исследований в этой области незначительный. Изучены лишь отдельные факторы.

Имеется обширный опыт применения данной технологии усиления зарубежом, но в России отсутствуют нормативные документы, которыми

проектировщики могут пользоваться при расчетах усиления вышеуказанных конструкций.

На сегодняшний день отсутствуют инженерные методы расчета железобетонных конструкций, усиленных углепластиками, под нагрузкой с учетом стадии их работы.

Является актуальной задача накопления экспериментальных данных, необходимых для уточнения расчетной схемы и дальнейшего совершенствования методики расчета изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием из углепластиков.

Цель диссертационной работы:

Обосновать повышение прочности и жесткости изгибаемых железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, в том числе и за границей переармирования.

Достижение поставленной цели предопределило задачи исследования:

- изучить и проанализировать мировой опыт исследования прочности и деформативности усиленных углепластиком железобетонных балок;

- исследовать влияние внешнего армирования из углепластика на рост прочности и жесткости экспериментальных образцов;

- выявить формы трещинообразования и разрушения экспериментальных образцов после усиления элементами внешнего армирования из углепластика;

- предложить инженерную методику расчета для изгибаемых железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика.

Актуальность диссертационной работы обусловлена возможностью расширить область применения внешнего армирования из углепластиков в качестве материалов для усиления конструкций, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, имеющих значительные деформации, прогибы и трещины.

На защиту выносятся:

1) Методика эксперимента, позволяющая реально оценить вклад внешнего армирования в работу изгибаемых железобетонных балок, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, при усилении углепластиком;

2) Результаты экспериментальных исследований прочности железобетонных балок, усиленных углепластиком на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

3) Результаты экспериментальных исследований деформативности и трещиностойкости железобетонных балок, находящихся на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, усиленных углепластиком;

4) Расчетная схема для анализа прочности и жесткости изгибаемых железобетонных элементов на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, при усилении углепластиком. Предложенная расчетная схема отражает действительную работу усиленных внешним армированием из углепластика изгибаемых железобетонных элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Получены экспериментальные данные о прочности и жесткости поврежденных изгибаемых железобетонных балок, усиленных углепластиками, за границей переамирования;

2) Предложена инженерная методика расчета изгибаемых конструкций, предварительно доведенных до стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, с внешним армированием из углепластика, в рамках которого рассматривается дальнейшая работа конструкции «в» и «за» пределами переармирования;

3) Использована расчетная схема внецентренного сжатия для анализа прочности и жесткости изгибаемого элемента, усиливаемого на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

4) Доказана возможность восстановления прочности и жесткости (после усиления) изгибаемых железобетонных элементов практически до первоначальных значений, которые были утрачены в результате нагружения;

5) В расчетной схеме железобетонных балок, усиленных углепластиком, впервые отражено разгружающее действие элемента внешнего армирования (за счет «вантового» эффекта), обусловленное геометрическим фактором - наличием начальной кривизны;

6) Доказан эффект сдерживания роста имеющихся трещин и отсутствия новых трещин в результате усиления изгибаемых железобетонных балок элементами внешнего армирования из углепластика.

Практическое значение работы.

- получены экспериментальные данные о прочности и жесткости железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика на стадии, близкой к исчерпанию несущей способности;

усиление изгибаемых железобетонных элементов углепластиком позволило в несколько раз повысить прочность и жесткость образцов, в том числе за границей переармирования;

- по результатам экспериментальных исследований даны предложения по методике расчета изгибаемых железобетонных балок, усиленных внешним армированием из углепластика;

полученные результаты экспериментального исследования свидетельствует о разгружающей способности углепластикового армирования за счет возникновения «вантового» эффекта;

- предложена методика оценки прочности и жесткости железобетонных балок, находящихся в стадии, близкой к исчерпанию несущей способности, усиленных внешним армированием из углепластика, что существенным образом расширяет сферу применения углепластика в качестве материала для усиления предаварийных и аварийных конструкций; подтверждает возможность восстановления их несущей способности;

- полученные результаты позволяют наиболее полно реализовать высокие механические свойства элементов внешнего армирования из углепластика, что приводит к более экономичному их использованию.

Обоснованность и достоверность представленных результатов основывается на использовании известных допущений теории железобетона и подтверждается экспериментальными данными исследований образцов с варьируемыми характеристиками, а также сопоставлением результатов с аналогичными данными зарубежных авторов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (г. Москва, 2011 г.), на заседаниях кафедры «Испытание сооружений» 11 апреля и 4 сентября 2012 года, на Заседании научно-технического совета ИСА МГСУ по отделению №1 «Строительство и архитектура» 12 марта 2013 года, изложены в 10 опубликованных статьях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья в сборнике трудов международной научной конференции.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Работа изложена на 150 страницах печатного текста, содержит 15 таблиц, 53 рисунка, список литературы из 85 наименований и 3 приложения.

Диссертационная работа выполнена в 2009-2012 гг. в Секторе испытаний кафедры «Испытание сооружений» Института Строительства и Архитектуры ФГБОУ ВПО «Московского Государственного Строительного Университета» под руководством профессора, кандидата технических наук Кунина Ю.С.

Глава 1 Актуальность вопроса исследования. Задачи работы

В настоящей главе проведен анализ теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных ученых, посвященных внешнему армированию конструкций композиционными материалами на основе различных типов волокон.

Необходимость ремонта, восстановления и усиления различных типов конструкций, в том числе железобетонных, возникает не только в результате реконструкции и технического перевооружения объектов, увеличения нагрузок, но и по причине физического износа, вызванного нарушением условий эксплуатации, некачественного изготовления или монтажа конструкций, коррозии материалов, воздействия агрессивных сред. В совокупности это приводит к снижению несущей способности элементов конструкций, их надежности и долговечности.

Дефекты, возникшие в процессе эксплуатации зданий, а также снижение характеристик материалов, связанное с их старением, и изменившиеся экономические условия требуют особого подхода к модернизации зданий или их реконструкции [1].

Для оценки технического состояния строительных конструкций, в зависимости от количества дефектов и степени их повреждения, согласно [2] принята классификация категорий технического состояния, представленная в Таблице 1.

Конструкция исчерпала свою несущую способность, если малое приращение внешней нагрузки способно вызвать непрекращающийся рост деформаций и последующее разрушение [3].

Таблица 1 - Категории технического состояния строительных конструкций

Наименование Характеристика категории

категории

Исправное состояние отсутствие дефектов и повреждений, влияющих на снижение несущей способности и эксплуатационной пригодности

Работоспособное состояние некоторые из численно оцениваемых контролируемых параметров не отвечают требованиям проекта, норм и стандартов, но имеющиеся нарушения требований, например, по деформативности, а в железобетоне и по трещиностойкости, в данных конкретных условиях эксплуатации не приводят к нарушению работоспособности, и несущая способность конструкций, с учетом влияния имеющихся дефектов и повреждений, обеспечивается

Ограниченно работоспособное состояние имеются дефекты и повреждения, приведшие к некоторому снижению несущей способности, но отсутствует опасность внезапного разрушения и функционирование конструкции возможно при контроле ее состояния, продолжительности и условий эксплуатации

Недопустимое состояние снижение несущей способности и эксплуатационных характеристик, при котором существует опасность для пребывания людей и сохранности оборудования (необходимо проведение страховочных мероприятий и усиление конструкций)

Аварийное состояние повреждения и деформации, свидетельствующие об исчерпании несущей способности и опасность обрушения (необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий)

Действующие нормативные документы не отражают всех особенностей напряженно - деформированного состояния при эксплуатации сооружений и, следовательно, не позволяют достаточно строго оценить безопасность конструктивных систем. Безопасность следует рассматривать, как некую способность объектов сохранять устойчивость и функционировать, выполняя свое назначение, не переходя в опасное состояние, характеризуемое определенным уровнем риска, не превышающим предельно допустимого значения [4].

Профессор А.Г. Тамразян [4; 5] отмечает, что метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям может быть существенно усовершенствован за счет более широкого использования методов теории