Применение сталефибробетона для усиления сжатой зоны железобетонных балок методом наращивания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение сталефибробетона для усиления сжатой зоны железобетонных балок методом наращивания

Семенюк С.Д.

д.т.н., доцент, Болошенко Ю.Г., магистрант

ГУВПО «Белорусско-Российский университет»

В данной статье рассматривается применения сталефибробетона для обновления эксплуатационных качеств железобетонных балок прямоугольного сечения посредством наращивания сжатой зоны, а также основные положения расчета усиленных балок.

Техническое перевооружение и реконструкция промышленных и гражданских зданий и сооружений часто требует усиления строительных конструкций. Главным образом, в усилении нуждаются изгибаемые конструкции, в частности, плиты перекрытий и покрытий, балки. Эффективным способом их усиления является наращивание сечений намоноличиванием, дающее возможность существенно увеличить несущую способность конструкции. При этом усиление может производиться при полной или частичной разгрузке и под нагрузкой [1].

В настоящее время для усиления строительных конструкций, в частности, изгибаемых железобетонных элементов, перспективным является применение высокоэффективных конструкционных материалов, например, сталефибробетона, по прочностным и деформативным характеристикам значительно превосходит традиционный мелкозернистый мелкозернистый бетон.

Впервые интерес к сталефибробетону в мире обострился в 1962 году, когда Ромальди (США) сумел значительно повысить прочность бетона путем добавления прямых стальных волокон проволоки. С тех пор специфические свойства сталефибробетона и его преимущества подробно изучаются многими учеными и научными работниками, в том числе и в странах СНГ.

Например, О.П. Сунак в своей монографии «Сталефiбробетоннi конструкцii» подробно рассматривает эту проблему, не только описывая свойства данного материала, но и приводя расчет сталефибробетонных конструкций по двум группам предельных состояний [2].

Ю.В. Пухаренко, заведующий кафедрой «Строительные изделия и конструкции» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета вплотную занимается вопросами эффективных фиброармированных материалов и изделии для строительства и реставрации, в том числе, использование различных видов фибровой арматуры и заполнителей для бетона [3].

Обоснованность применения сталефибробетона как альтернативного материала обусловлена ростом его свойств по сравнению с традиционным бетоном (таблица 1) [4].

Таблица 1

Рост свойств сталефибробетона по сравнению с бетоном*

В сталефибробетоне происходит перераспределение усилий с относительно мягкой бетонной матрицы на относительно жесткие фибры. Это явление происходит до и после возникновения трещин. Фибры выполняют две функции: упрочняют бетонную матрицу до возникновения трещин и замедляют дальнейшее развитие трещин. Использование фибровой арматуры позволяет значительно упростить арматурные работы вследствие отказа от сеток и в ряде случаев от каркасов и отсутствия необходимости установки распределительной и монтажной арматуры.

Эффективным также является совмещение сталефибробетона со стержневой продольной арматурой. В этом случае сталефибробетон воспринимает основные растягивающие усилия и усилия скалывания вместо поперечных и отогнутых стержней. После появления трещин фибры воспринимают усилия, вызванные как изгибающим моментом, так и поперечной силой. В результате комбинированного армирования используется работа сталефибробетона в нормальных сечениях и уменьшается площадь продольной стержневой арматуры, а при стержнях из мягких сталей становится возможным использование их прочностных характеристик за пределом текучести вследствие замедления раскрытия трещин и снижения высоты сжатой зоны, а из-за увеличения сцепления арматуры со сталефибробетоном уменьшается длина и повышается надежность анкеровки.

Важным параметром для фибры является отношение ее длины к диаметру l_f/d_f, которое обеспечивает эффективную работу фибры в бетоне и хорошее сцепление. Желательным является отношение, равное 80-100. С увеличением этого отношения ухудшаются условия перемешивания стальной фибры в бетономешалке и появляется склонность к комкованию фибры. Выбор длины стальной фибры во многом определяется размером максимального крупного заполнителя бетонной смеси.

В Германском руководстве по сталефибробетону это соотношение принято принимать не менее 2. Следовательно, для монолитного сталефибробетона с максимальным размером крупного заполнителя 20 мм может быть рекомендована стальная фибра длиной 50-60 мм, а для заполнителя размером 10 мм может быть принята фибра длиной до 30 мм.

Короткие волокна, у которых l_f/d_f<50, не могут образовывать фиброкаркас, так как они укладываются в форму в виде сыпучей массы (область 1 на рисунке 1). Такие волокна могут применяться для изготовления сталефибробетона и конструкций из него способом совместного перемешивания компонентов с последующим виброформованием. Отрезки волокон, у которых l_f/d_f=75...125, при укладке в форму образуют жесткий пространственный фиброкаркас с трехосной ориентацией фибры (область 2 на рисунке 1). Такие волокна удобны для изготовления сталефибробетона способами совместного перемешивания и раздельной укладки компонентов при изготовлении из него как массивных изделий, так и конструкций с небольшими поперечными сечениями (производство перемычек, заделка полостей стыков между сборными элементами и др.). Волокна, у которых l_f/d_f=150...400, при укладке в форму имеет двухосную горизонтальную ориентацию (область 3 на рисунке 1). Такие волокна целесообразно применять при изготовлении тонкостенных и изгибаемых конструкций способом раздельной укладки компонентов, например, панелей несъемной опалубки и перекрытий, дорожных и аэродромных плит, элементов ограждений лоджий и балконов. В случае использования волокон с указанными размерами в технологии совместного перемешивания такая фибра комкуется и плохо перемешивается с бетонной смесью [5].

Рис. 1. Зависимость объемной доли фибровой арматуры от отношения длины фибр к их диаметру

Наращивание выполняется со стороны одной или двух граней усиливаемой конструкции. При увеличении поперечного сечения сжатой зоны минимальный процент продольного армирования наращивания составляет м_min= 0,05% [6].

Толщина наращивания определяется расчетом и принимается с учетом условий укладки и уплотнения бетонной смеси.

Класс бетона наращивания рекомендуется принимать не ниже класса бетона усиливаемой конструкции и не ниже С12/15. В случае применения бетона более низкого класса, чем класс бетона усиливаемой конструкции, для него вводится понижающий коэффициент, вычисляемый по формуле (1):

г_c,ad=E_c,ad/E_c, (1)

где E_c,ad - модуль упругости бетона усиления;

E_c - модуль упругости бетона усиливаемой конструкции.

Расчет железобетонных конструкций, усиленных увеличением поперечного сечения сжатой зоны и установкой дополнительной сжатой арматуры, производится в соответствии со СНиП 2.03.01-84* [7], а также в соответствии с требованиями СНБ 5.03.01-02 [8] в предположении совместной работы дополнительного сечения бетона и арматуры с усиливаемой конструкцией по общему случаю расчета из условия (2):

, (2)

где М_Rd - прочность сечения при изгибе;

f_cd - расчетная прочность бетона усиливаемой конструкции;

f_cd,аd - расчетная прочность бетона усиления;

S_c, S_c,ad - статический момент сечения бетона усиливаемой конструкции и бетона усиления соответственно относительно оси, проходящей через центр тяжести растянутой или менее сжатой арматуры;

S_s, S_s,ad - статический момент сечения арматуры усиливаемой конструкции и арматуры усиления соответственно относительно той же оси;

_s - напряжения в арматуре усиливаемой конструкции;

_s,ad - напряжения в арматуре усиливаемой конструкции.

Растягивающие и сжимающие напряжения в арматуре принимаются не более расчетного сопротивления f_yd.

При расчете фибровую арматуру считают равномерно распределенной по сечению элемента и в расчет вводят с коэффициентом приведенного армирования по площади [2], рассчитываемым по формуле (3):

µ_fa= µ_fvk_n, (3)

где µ_fv - коэффициент объемного армирования элемента;

k_n - коэффициент, принимаемый по таблице 2 в зависимости от соотношений меньшего размера сечения, перпендикулярного сжимающему усилию, к длине фибр b/l_f и большего размера сечения, перпендикулярного сжимающему усилию, к длине фибр h/l_f при условии, что длина элемента l не менее, чем в 10 раз превышает длину фибр l_f.

сталефибробетон балка наращивание

Таблица 2 - Значение коэффициента k_n

Высота сжатой зоны x и напряжения у_si и у_s,adj определяются из совместного решения уравнений (4), (5), (6):

(4)

(5)

(6)

где А_с, А_с,аd - площадь поперечного сечения бетона усиливаемой конструкции и бетона усиления соответственно;

А_s, А_s,аd - площадь поперечного сечения арматуры усиливаемой конструкции и арматуры усиления соответственно;

f_yd - расчетное сопротивление арматуры;

_sс,u - предельные напряжения в сжатой или менее растянутой арматуре сечения, принимаемое равным 500 Н/мм²;

_sp, _sp,ad - предварительное напряжение в стержне продольной арматуры, принимаемое в данном случае равным нулю.

- относительная высота сжатой зоны сечения, принимаемая равной =x/d.

Характеристика сжатой зоны бетона усиливаемой конструкции и бетона усиления соответственно и _ad определяется для бетона с призменной прочностью f_cd и f_cd,ad по формуле (7):

= kс 0,008fcd, (7)

где k_с -- коэффициент, принимаемый равным для тяжелого бетона - 0,85, мелкозернистого - 0,80.

При экономическом обосновании усиление железобетонных конструкций наращиванием может производиться при ?_lim за счет увеличения рабочей высоты сечения. В этом случае расчет прочности усиленных конструкций прямоугольного поперечного сечения для наращивания изгибаемых элементов производится из условия (8):

f_ydA_s1 ? f_cdbh_ad + f_yd,adA_s,ad, (8)

т.е. x?h_ad,

где х - высота сжатой зоны сечения;

h_ad - высота наращивания;

b - толщина усиливаемого элемента;

А_s,ad - площадь поперечного сечения продольной арматуры усиления;

А_s1 - площадь поперечного сечения продольной арматуры усиливаемой конструкции, расположенной в растянутой зоне.

Расчет производится как для элемента, выполненного из одного класса бетона (рисунок 2,а).

M_Rd ? f_cd,adbx(d+h_ad-x/2)+f_yd,adA_s,ad(d+h_ad-c_ad), (9)

где d - рабочая высота сечения;

с - защитный слой бетона.

При этом высота сжатой зоны определяется из условия (10):

f_cd,adbx+f_yd,adA_s,ad = f_ydA_s1, (10)

Если условие (8) не соблюдается, расчет производится с учетом различных классов бетона (рисунок 2,б) по формуле (11):

, (11)

где x определяется из условия (12):

f_cdb(x-h_ad)+f_ydA_s2+f_cd,adbh_ad+f_yd,adA_s,ad = f_ydA_s1, (12)

Рис. 2. Схемы усилий и эпюры напряжений в нормальном сечении усиленного наращиванием элемента при условии ?_lim:

а - при x?h_ad;

б - при x>h_ad.

Вывод

Применение сталефибробетона как альтернативного материала для усиления сжатой зоны железобетонных балок является перспективным направлением в связи с его преимуществами по сравнению с традиционным мелкозернистым бетоном. Так как на сегодняшний день не существует метода расчета, соответствующего действующим нормативным документам Беларуси, то разработка такого метода весьма актуальна.

Литература

1. Семенюк, С.Д. Усиление сжатой зоны железобетонных изгибаемых элементов / Семенюк С.Д., Болошенко Ю.Г. // Проблемы современного бетона и железобетона: сборник трудов в 2 ч., ч. 1 Бетонные и железобетонные конструкции / Минск, Скринко, 2007. - с. 306-321.

2. Сунак, О.П. Сталефiбробетоннi конструкцii / О.П. Сунак. - Луцк, 1999. - 158 с.

3. Пухаренко, Ю.В. Эффективные фиброармированные материалы и изделия для строительства и реставрации / Ю.В. Пухоренко. - Санкт-Петербург, 2007. - 10 с.

4. http:/www.budcentr.org/stalefibro.php/

5. Бочарников, А.С. Структурообразование, технологии и применение сталефибробетонных изделий / А.С. Бочарников, А.Д. Корнеев, А.В. Глазунов, В.В. Галкин, В.Г. Соловьев. - электронная публикация http:/www.polbeton.ru/

6. Пособие П 1-98 к СНиП 2.03.01-84* «Усиление железобетонных конструкций». - Минск: Министерство архитектуры и строительства РБ, 1998. - 190 с.

7. СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции». - М.: Стройиздат, 1989. - 79 с.

8. СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и железобетонные конструкции». - Минск: Министерство архитектуры и строительства РБ, 2003. - 143 с.

Размещено на Allbest.ru