Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами
РУКОВОДСТВО по усилению ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Содержание
Общие положения
1. Основные требования
2. Материалы
3. Основные расчетные положения
4. Расчет по предельным состояниям первой группы
4.1. Расчет нормальных сечений изгибаемых элементов
4.2. Расчет прочности сечений, наклонных к продольной оси изгибаемого элемента
4.3. Расчет сжатых и внецентренно сжатых элементов
4.4. Осевое растяжение
5. Расчет по предельным состояниям второй группы
5.1. Расчет по образованию трещин
5.2. Расчет по раскрытию трещин
5.3. Расчет по деформациям
6. Технология производства работ
6.1. Принципиальные схемы усиления основных типов конструкций
6.2. Подготовка основания под наклейку
6.3. Раскрой ленты или ламината
6.4. Приготовление адгезива
6.5. Наклейка лент (ткани)
6.6. Наклейка ламината
Приложение 1. Конструктивные особенности выполнения усиливающих накладок
Приложение 2. Контроль качества
П2.1. Входной контроль
П2.2. Операционный контроль
П2.3. Приемочный контроль
Приложение 3. Физико-механические свойства некоторых типов угле-, стекло- и арамидных волокон
Приложение 4. Физико-механические свойства термореактивных смол, применяемых при усилении конструкций
Приложение 5. Физико-механические свойства некоторых типов арматуры фап по данным производителей
П5.1 Углепластики - ламинаты
П5.2 Углепластики - ткани (холсты) и композиты (данные для монослоя)
П5.3 Стеклопластики - ткани и композиты (данные для монослоя)
Приложение 6. Физико-механические свойства некоторых типов смол по данным производителей
Приложение 7. Условные обозначения
Литература
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Настоящее Руководство разработано в развитие Свода Правил СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры» [4].
В Руководстве приведена методика расчета усиливаемых железобетонных конструкций внешним армированием композиционными материалами на основе углеродных, арамидных и стеклянных волокон (фиброармированными пластиками, далее ФАП).
Основные положения настоящего Руководства распространяются на:
- железобетонные конструкции, не имеющие повреждений, но требующие усиления в связи с увеличивающимися в результате реконструкции (в т.ч. перепрофилирования) сооружений расчётными эксплуатационными нагрузками или из-за изменения схем работы конструктивных элементов зданий и сооружений;
- железобетонные конструкции, поврежденные в ходе эксплуатации ("отстрел" защитного слоя, коррозия арматуры и бетона, наличие трещин, непроектных прогибов, и т.д.) с целью восстановления их эксплуатационных свойств и повышения долговечности.
В Руководстве рассматривается усиление конструкций композиционными материалами как заводского изготовления (ламинаты), так и создаваемыми непосредственно на строительном объекте из тканей (лент, холстов) за счёт пропитки и наклейки их специальными полимерными составами (в основном на эпоксидной основе).
В основу разработки настоящего Руководства положен опыт проектирования и выполнения работ по усилению конструкций ООО «ИнтерАква» [8, 12, 13, 14, 15, 19], исследования, проведенные в НИИЖБ [16], результаты многочисленных зарубежных экспериментальных исследований, рекомендации производителей композиционных материалов для усиления строительных конструкций, а также анализ данных практического применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций в России и за рубежом.
Единицы физических величин, приведенные в Руководстве: силы выражены в ньютонах (Н) или килоньютонах (кН); линейные размеры - в "мм" (для сечений) или в "м" (для элементов или их участков); напряжения, сопротивления и модули упругости - в мегапаскалях (МПа); распределенные нагрузки и усилия - в кН/м или Н/мм.
Учитывая отсутствие достаточного опыта применения ФАП в России, в Руководстве приведены рекомендации по технологии производства работ.
Руководство разработано ООО «Интераква» (инж. Чернявский В.Л., д.т.н. Хаютин Ю.Г., к.т.н. Аксельрод Е.З.) и НИИЖБ (д.т.н., проф. Клевцов В.А., инж. Фаткуллин Н.В.).
1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
1.1. Максимальная эксплутационная температура работы системы ФАП не должна превышать температуру стеклования полимерной матрицы и клея (ориентировочно 60-150°С).
1.2. Внешние ФАП используются для продольного и поперечного армирования стержневых элементов, для создания армирующих усиляющих оболочек на колоннах и опорах мостов, эстакад, консолях колонн, для усиления плит, оболочек, элементов ферм и других конструкций.
1.3. Рациональной степенью усиления с помощью системы ФАП является диапазон 10-60% от начальной несущей способности усиливаемой конструкции.
1.4. Система усиления ФАП может применяться, если фактическая прочность на сжатие бетона конструкции составляет не менее 15 МПа. Это ограничение не распространяется на усиление сжатых и внецентренно сжатых элементов горизонтальными обоймами, когда важна только механическая связь обоймы с конструкцией.
1.5. За основной метод расчета принят метод предельных состояний. Расчет конструкций, усиленных ФАП, по первой группе предельных состояний производится во всех случаях. Расчет по второй группе предельных состояний производится только в тех случаях, когда расчетная нагрузка после усиления увеличивается.
1.6. Расчет системы усиления на основе ФАП требует рассмотрения нескольких видов разрушения и предельных состояний усиленного элемента. Поэтому вначале рекомендуется ориентировочно назначить площадь сечения ФАП выбранного типа и затем изменять её в соответствии с результатами проверок соответствующих предельных состояний. Расчеты проводятся итерационно, поэтому желательно применение компьютерных программ для автоматизации вычислений.
1.7. Определение усилий в элементах конструкций производится с учётом данных, полученных при обследовании, предшествующим усилению.
1.8. Использование системы ФАП не останавливает начавшиеся процессы коррозии арматурной стали в бетоне. Поэтому перед усилением конструкции необходимо обработать бетонную поверхность мигрирующим ингибитором коррозии арматурной стали, а при отделении защитного слоя - оголить арматуру и обработать её грунтом-преобразователем ржавчины и затем восстановить защитный слой специальными полимерцементными ремонтными составами, обеспечивающими высокую адгезию к «старому» бетону, предотвращение развития коррозии арматуры.
2. МАТЕРИАЛЫ
2.1. Характеристики бетона и арматуры при отсутствии в них повреждений принимаются в соответствии со СНиП 52-101-2003 [5].
2.2. При наличии результатов обследования усиляемых конструкций назначение характеристик бетона и арматуры производят с учетом требований СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» [17].
2.3. Для армирования в системе ФАП используются: стекловолокно, арамидные и углеродные волокна. Физико-механические свойства волокон и отвержденных пластиков представлены в справочных Приложениях 5-7.
2.4. Плотность армирующих волокон ФАП находится в пределах 1,2-2,1 г/см3 (табл. 2.1)
2.5. Коэффициент линейного температурного расширения (к.л.т.р.) ФАП зависит от типа волокна, смолы и объемного содержания волокна. К.л.т.р. для армирующих материалов ФАП в продольном и поперечном направлениях представлены в таблице 2.2.
Таблица 2.1
Плотность армирующих материалов ФАП, используемых для усиления (г/см3)
Сталь | Стекловолокно | Углеродное волокно | Арамидное волокно |
7,9 | 1,2-2,1 | 1,5-1,6 | 1,2-1,5 |
Таблица 2.2
Коэффициенты температурного расширения армирующих материалов ФАП
Направление | к.л.т.р., 10-6/°С | ||
Армирующий материал | Стекловолокно | Углеродное волокно | Арамидное волокно |
Продольное, aL | 6-10 | От -1 до 0 | От -6 до -2 |
Поперечное, aТ | 19-23 | 22-50 | 60-80 |
Для справки: к.л.т.р. бетона находится в пределах от 7×10-6 до 11×10-6 и считается изотропным. Сталь имеет к.л.т.р., равный 11,7×10-6.
2.6. При растяжении ФАП имеют линейную зависимость между напряжениями и деформациями вплоть до разрушения. Свойства ФАП в основном определяются типом, ориентацией и количеством армирующих волокон. Механические свойства всех систем ФАП независимо от их вида должны определяться по результатам испытаний образцов слоистого материала с оценкой объемного содержания волокон, которое должно составлять не менее 60%. Механические характеристики многослойных пластиков определяются путем испытания образцов с соответствующим количеством слоев ткани (ленты) в соответствии с ГОСТ 25.601-80 [18]. Основные физико-механические характеристики ФАП и тканей (по данным производителей) приведены в Приложениях 5, 6, 7.
3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1. При проектировании усиления железобетонных конструкций с использованием внешнего армирования из ФАП используется метод расчета по предельным состояниям. Важным условием надежной эксплуатации усиленных с помощью ФАП конструкций является соблюдение конструктивных требований (Приложение 1).
3.2. Система усиления на основе ФАП должна проектироваться на восприятие растягивающих усилий с учетом совместности деформаций внешней арматуры и бетона конструкции.
3.3. В предельном состоянии изгибаемого элемента усилия в сжатой зоне воспринимаются бетоном и сжатой стержневой арматурой, а в растянутой - стержневой арматурой и внешней композитной арматурой.
3.4. В предельном состоянии сжимаемых с малым эксцентриситетом конструкций поперечное расширение воспринимается оболочкой из ФАП.
3.5. Расчет внутренних усилий в конструкции определяется на основе гипотезы плоских сечений.
3.6. В расчетах усиления принимается отсутствие взаимных смещений между стальной арматурой и бетоном, а также между наклеенной внешней арматурой ФАП и бетонным основанием.
3.7. В тех случаях, когда схема нагружения железобетонных элементов приводит к изменению знака изгибающего момента, прочность внешней арматуры из ФАП в сжатой зоне не учитывается.
3.8. При проектировании усиления конструкций следует учитывать, что несущая способность неусиленной конструкции должна быть достаточна для восприятия постоянной и ограниченной временной нагрузки в случае повреждения системы усиления вследствие пожара, вандализма или других причин.
3.9. Нормативные характеристики ФАП (прочность на растяжение Rf, модуль упругости Ef, предельная деформация растяжения ef) определяются механическими испытаниями образцов по ГОСТ 25.601-80 [18] с обеспеченностью 0,95. Расчетные характеристики ФАП определяются на базе нормативных характеристик с учетом коэффициента надежности gf и коэффициента условия работы СЕ (Табл. 3.1), учитывающего влияние окружающей среды.
Расчетная прочность на растяжение ФАП с учётом коэффициентов надежности условия работы се определяется по выражению: