Жорсткість та тріщиностійкість згинальних залізобетонних елементів підсилених вуглепластиками в розтягнутій зоні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

ЖОРСТКІСТЬ ТА ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ ЗГИНАЛЬНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПІДСИЛЕНИХ ВУГЛЕПЛАСТИКАМИ В РОЗТЯГНУТІЙ ЗОНІ

Борисюк О.П., канд. техн. наук, Конончук О.П.

Існує багато причин, при яких необхідно виконувати ремонт існуючих бетонних та залізобетонних елементів. Серед них можна виділити: помилки проектувальників; зміна функціонального призначення будівлі; зміна статичної схеми конструкцій; низька якість будівельних матеріалів; процес старіння конструкцій; агресивне середовище; пожежі; осадка фундаментів та ін..

Найважливішим є вибір методу підсилення, з врахуванням наявного технічного стану конструкцій і умов експлуатації. Традиційні методи підсилення полягають у збільшенні розмірів поперечного перерізу, зміні статичної схеми, введенні додаткового зовнішнього армування або зовнішніх стальних елементів. Часто трапляється так, що виконання традиційних підсилень є трудоємким, або взагалі неможливим.

Одним із нових методів підсилення конструктивних елементів є застосування зовнішнього армування у вигляді композитних стрічок та полотен, на основі вуглецевих волокон (Carbon Fiber Reinforced Polymers).

В лабораторії кафедри інженерних конструкцій НУВГП виконані дослідження підсилених стрічкою та полотном залізобетонних балок. Мета даних досліджень: вивчити роботу згинальних залізобетонних елементів, що підсилені композитними матеріалами; дослідити вплив малоциклових навантажень різних рівнів на підсилені балки, з врахуванням історії роботи до їх підсилення; розробити методику розрахунку підсилених конструкцій.

Експериментальні дослідження проводились на 12 дослідних зразках. Балки Б-1, Б-3 та Б-1(П1), Б-3(П2) випробувані однократним завантаженням до та після підсилення відповідно. Зразок Б-1(П1) підсилений стрічкою, а Б-3(П2) - полотном. Балки БЦ-1, БЦ-2, БЦ-3, БЦ-5, БЦ-6, БЦ-7 та БЦ-1(П1), БЦ-2(П1), БЦ-3(П1), БЦ-5(П2), БЦ-6(П2), БЦ-7(П2) випробувані малоцикловим навантаженням до та після підсилення відповідно. Зразки Б-2(П1), Б-4(П2), БЦ-4(П1) та БЦ-8(П2) підсилювались без попереднього випробовування (див. табл. 1).

Характер руйнування дослідних зразків. Всі непідсилені дослідні зразки були запроектовані таким чином, щоб їх руйнування відбувалося по нормальним перерізам від дії згинального моменту. Підсилення проектувалося з умови рівноміцності стиснутої та розтягнутої зони поперечного перерізу.

Зразки, що були підсилені стрічкою, руйнувались наступним чином: при досягненні граничного навантаження, відбувався відрив стрічки на ділянці між силою та опорою. В результаті чого стрімко ріс прогин та розвивались тріщини, що супроводжувалось виколюванням стиснутої зони бетону. При подальшому завантаженні, відбувався розрив волокон анкеровки по грані стрічки. Такий процес руйнування підсилених композитними матеріалами в розтягнутій зоні згинальних залізобетонних елементів, описаний польськими науковцями M.E. Kaminska та R. Kotynia в своїх роботах [4, 5].

Балки, що були підсилені полотном, руйнувались дещо по іншому: при граничному завантаженні почали рватись найбільш розтягнуті волокна підсилення, що знаходились на нижній грані балки. Це супроводжувалось виколюванням стиснутої зони бетону. При подальшому завантаженні почали розриватись волокна, що знаходились на бічній поверхні. При цьому з'являлись горизонтальні тріщини на рівні розтягнутої арматури, що в кінцевому випадку приводило до відшарування бетону (рис. 1).

Рис. 1 Загальний вигляд підсилених балок після випробування малоцикловим нантаженням: а) балка БЦ-1(П1) підсилена стрічкою SikaCarbodur S512; б) балка БЦ-5(П2) підсилена полотном Sika Wrap

В табл. 1 наведено ефект підсилення експериментальних балок відносно непідсилених зразків, визначений за граничним експлуатаційним навантаженням. Для балок підсилених композитною стрічкою, він становить: при однократному навантаженні 18,07 - 57,42 %; при малоцикловому навантаженні 64,27 - 77,73 %. Для зразків підсилених полотном ця величина змінюється в межах: при однократному навантаженні 34,57 - 37,4 %; при малоцикловому навантаженні 49,95 - 66,81 %. Тобто, підсилення конструкцій, що зазнають впливу малоциклових навантажень дає більший ефект, ніж тих що піддаються впливу однократного завантаження. Це відбувається тому, що несуча здатність непідсилених експериментальних балок в результаті дії повторних навантажень високих рівнів зменшується, а підсилених або залишаються на тому ж рівні, або дещо зростає.

підсилення конструкція армування вуглецевий

Таблиця 1

Ефект підсилення експериментальних балок

Жорсткість експериментальних зразків. На рис. 2 наведено графіки зміни прогину експериментальних зразків в залежності від величини моменту зовнішнього навантаження. З даних графіків видно, що на перших ступенях завантаження прогин непідсилених та підсилених зразків близький між собою. Після того, як навантаження перевищило момент тріщиноутворення, крива прогину непідсиленої балки Б-1 починає відхилятись від кривих, що відповідають підсиленим зразкам. Балки підсилені стрічкою є менш деформативними ніж ті, що підсилені полотном, і відповідно мають більшу жорсткість. Для прикладу, при моменті 14,11 кНЧм прогин балки Б-2(П1) становить 1,029 см, а балки Б-4(П2) - 1,478 см, що є на 43,6% більшим.

Рис. 2 Зміна величини прогину дослідних балок підсилених стрічкою при випробуванні їх однократним навантаженням

Випробовування підсилених дослідних зразків малоцикловими навантаженнями відбувалося в два етапи. Спочатку до них прикладались ті ж величини навантажень, що і до підсилення (рис. 3). Потім за одиницю бралось граничне експлуатаційне навантаження визначене за результатами випробовування підсилених балок однократним завантаженням (рис. 4).

Рис. 3 Зміна величини прогину дослідних балок випробуваних малоцикловим навантаженням при однакових величинах навантаження

З рис. 3 видно, що підсилені конструкції є значно жорсткішими, а тому можуть сприймати більші навантаження. Проведені дослідження показали, що підсилені балки, при дії малоциклових навантажень, працюють аналогічно тим, що випробовувались без підсилення. Підтверджено висновок запропонований авторами Є.М. Бабичем та Н.І. Ільчуком [1,2], що при п'ятому повторенні одного і того ж циклу, відбувається повна стабілізація деформацій, прогину та ширини розкриття тріщин.

Рис. 4 Зміна величини прогину дослідних балок випробуваних малоцикловим навантаженням при однакових рівнях навантаження

Тріщиностійкість експериментальних зразків. В непідсилених дослідних зразках поява тріщин (0,02 мм) була зафіксована при моменті 2 кНЧм. Після того, як відбулось розвантаження експериментальних балок, залишкова ширина розкриття тріщин склала в балці Б-1 0,2 мм. Тому очевидним є той факт, що підсилення дослідних зразків відбувалось із вже існуючими тріщинами, які мали певну початкову ширину розкриття (рис. 5).

Рис. 5 Зміна ширини розкриття тріщин дослідних балок до та після їх підсилення стрічкою при дії однократного навантаження

Поява тріщин в балці Б-2(П1) зафіксована при моменті 4 кНЧм. Тобто, момент тріщиноутворення в балках підсилених стрічкою приблизно в два рази збільшився. Підсилення згинальних залізобетонних конструкцій композитним полотном можна вважати альтернативою композитній стрічці, коли необхідно попри підвищення несучої здатності, унеможливити розкриття тріщин. Дослідження показали, що при навантаженні балок аж до руйнування, візуально тріщин на підсиленій поверхні дослідного зразка не було виявлено (рис. 1).

Характер утворення та розвитку тріщин в балках випробуваних малоцикловим навантаженням подібний до тих, що випробовувались однократним. Ширину розкриття тріщин балок до та після підсилення при однакових величинах навантаження показана на рис. 6, а при однакових рівнях навантаження на рис. 7.

Рис. 6 Зміна ширини розкриття тріщин дослідних балок випробуваних малоцикловим навантаженням при однакових величинах навантаження

Рис. 7 Зміна ширини розкриття тріщин дослідних балок випробуваних малоцикловим навантаженням при однакових рівнях навантаження

При однакових рівнях навантаження, ширина розкриття тріщин в балці до підсилення БЦ-3 та після підсилення БЦ-3(П1) практично однакова. Якщо порівняти зразки БЦ-3(П1) та БЦ-4(П1), то чітко видно, що ширина розкриття тріщин балки, що до підсилення не випробовувалась, є меншою майже у два рази. Це свідчить про те, що підсилення композитною стрічкою збільшує тріщиностійкість конструкції.

Висновок

Ефект підсилення згинальних залізобетонних елементів в розтягнутій зоні композитними матеріалами залежить від виду навантаження та типу матеріалу, і складає 34,57 - 77,73 %. Разом із несучою здатністю підсилених конструкцій, зростає їх жорсткість та тріщиностійкість. Конструкції підсилені вуглецевим полотном є більш деформативними і відповідно мають меншу жорсткість. Підсилені балки, при дії малоциклових навантажень, працюють аналогічно тим, що випробовувались без підсилення.

Література

1. Бабич Є.М. Міцність і деформативність важкого бетону при малоцикловому стисненні / Є.М. Бабич, Н.І. Ільчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. Рівне: Видавництво УДУВГП, 2003. Випуск 9. C. 116-123.

2. Бабич Є.М. Прочность бетона после действия малоцикловой сжимающей нагрузки / Є.М. Бабич, А.П. Погореляк // Известия вузов: Строительство и архитектура. 1976. № 4. С. 33 - 36.

3. Борисюк О.П. Методика випробовування підсилених згинальних залізобетонних елементів при малоциклових навантаженнях / Борисюк О.П., Конончук О.П. // Будівельні конструкції: Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво). Випуск 74: В 2-х книгах: Книга 2. Київ, ДП НДІБК, 2011. С. 709-718.

4. Kaminska M.E. Badania zelbetowych belek z tasmami CFRP przyklejnymi na ich powierzсhniach / M.E. Kaminska, R. Kotynia // XVI konferencja naukowo-techniczna "Beton i prefabrykacja". Tom 2, Jadwisin., 1998. S. 479 - 484.

5. Kotynia R. Graniczne odksztalcenia materialow kompozytowych przy odspojeniu w ujenormowym dla zginania / R. Kotynia // konf. nauk. KILiW PAN i KN PZITB Problemy naukowo-badawcze budownictwa. Tom III, Konstrukcje betonowe. Krynica, 2005. S. 105 - 112.

Размещено на Allbest.ru