close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- silornsk.ru

код для вставкиСкачать
Шилин Андрей Александрович,
Пшеничный Валерий Александрович,
Картузов Дмитрий Валерьевич
Внешнее армирование железобетонных
конструкций композиционными
материалами
Издательство Стройиздат
Год: 2007
УДК: 624
Описание
Руководство по усилению ж елезобетоннвк конструкций композиционнвш и материалами.
И зложенв 1 ocHOBBi проектирования и технологии внешнего армирования ж елезобетоннвк
конструкций современнвш и композиционнвш и материалами на основе углероднвк,
арам и днвк и стекловолокон. Данв 1 основнвю положения по проектированию усиления
и зги баем вк железобетоннвш конструкций по первой и второй группам пределвнвк
состояний. П риведена технология усиления ж елезобетоннвк конструкций
композиционнвш и материалами нового поколения. Рассмотренв 1 вопросв 1 качества
ввш олнения работ, требования к исходнвш материалам и условиям проведения работ,
требования к исходнвш материалам и условиям проведения работ по усилению, а также
требования по обязателвному мониторингу усиливаемой конструкции. Проанализирован
опии работв 1 ЗАО 'Триада-Холдинг' по усилению ж елезобетоннвк конструкций
композиционнвш и материалами. П редназначено для инженерно-технических работников
п роектн вк и конструкторских организаций, зан им акш цкся вопросами ремонта и
реконструкции разли чн вк строителвнвк конструкций.
ISBN: 978-5-274-01972-9
К оличество страниц: 184
Содержание
Предисловие
Глава 1. Основные положения по ремонту, восстановлению и усилению
железобетонных конструкций
1.1. Ремонт, восстановление и усиление конструкций ин ж енерньк сооружений
1.2. Композиционные материалв 1 и их свойства
Глава 2. Проектирование ремонта и усиления железобетонных конструкций
2.1. Основнвю положения проектирования
2.2. Рекомендуемая степенв усиления конструкций
2.3. Нормативны е и расчетные характеристики ком позиционнвк материалов
2.4. Разруш ение конструкций, усиленных внеш ним армированием
Глава 3. Проектирование усиления изгибаемых железобетонных конструкций
3.1. Общие положения
3.2. П рочноств усиленной конструкции по нормальным сечениям
3.3. П рочноств усиленной конструкции по наклонным сечениям
3.4. Основнвю положения расчета у си лен н в к конструкций по образованию и
раскрв 1тию трещ ин
3.5. Ограничения на напряжения, действующ ие в усиленной конструкции
3.6. А нкеровка приклеенной к бетону полосв 1 композиционного материала
3.7. О пределение места обрвша полосв 1 композиционного материала в пролете
конструкции
Глава 4. Проектирование усиления колонн обоймами из композиционных
материалов
4.1. Основнвю положения усиления конструкций обоймами из ком позиционнвк
материалов
4.2. У силение централвно-сж атвк колонн
4.3. У силение внецентренно-сж атвк колонн
Глава 5. Особые случаи использования композиционных материалов для
усиления железобетонных конструкций
5.1. П рименение преднапряж еннвк ком позиционнвк материалов
5.2. Установка ком позиционнвк материалов в пазах
5.3. П рименение строителвньк растворов при установке композиционных
материалов
5.4. У силение строителвньк конструкций в сейсмических опасных районах
Глава 6. Технология усиления конструкций композиционными материалами
6.1. Технические и организационные требования по обеспечению качества
системы усиления
6.2. Установка ком позиционнвк материалов на поверхность усиливаемой
конструкции и контроль качества производства работ
6.3. Опыт ЗАО 'Триада-Холдинг' по усилению строителвньк конструкций
композиционными материалами
Основные обозначения
Список литературы
П Р ЕД И СЛО В И Е
В процессе эксплуатации любые инженерные сооружения испыты­
вают в большей или меньшей степени негативное воздействие внешней
окружающей среды. Через определенный промежуток времени это воз­
действие приводит к снижению эксплуатационных качеств как всего со­
оружения в целом, так и отдельных составляющих его элементов. В за­
висимости от важности конкретной конструкции для функционирова­
ния всего сооружения и степени ее повреждения это может привести
или к ремонту сооружения, или к замене его отдельного элемента. Ре­
монт инженерного сооружения является такой же необходимой состав­
ляющей его жизненного цикла, как и собственно новое строительство.
Повреждения железобетонных конструкций, вызывающие необходи­
мость в проведении ремонтных работ, заключаются, прежде всего, в кар­
бонизации бетона, заражении его хлоридами, коррозии арматуры, что
приводит к изменению физико-механических свойств железобетона, из­
менению геометрических размеров конструкции, появлению раковин,
трещин, отслоению защитного слоя. Все это приводит в свою очередь к
уменьшению несущей способности элементов сооружения и, как след­
ствие, к снижению их надежности и способности обеспечивать безопас­
ность эксплуатации сооружения.
Помимо восстановления первоначальной несущей способности же­
лезобетонных элементов во время ремонта, реконструкции или по усло­
виям эксплуатации зачастую возникает необходимость в увеличении их
несущей способности. Чаще всего увеличение нагрузки связано с допол­
нительной надстройкой уже существующих зданий и сооружений, изме­
нением условий их эксплуатации, размеров и конструктивной схемы, ус­
тановкой нового технологического оборудования или повышением про­
пускной способности мостовых конструкций.
Наряду с увеличением объема строительства новых зданий и соору­
жений происходит и увеличение объема ремонтных работ. В настоящее
время в индустриально развитых странах инвестиции в новое строитель­
ство и ремонт уже существующих зданий и сооружений практически
сравнялись. Возрастающая потребность в ремонтных работах, увеличение
их трудоемкости и стоимости приводят к необходимости разработки но­
вых технологий ремонта и применения новых материалов.
Долгие годы основными способами усиления строительных конст­
рукций являлись увеличение их сечения за счет присоединения к ним
дополнительных элементов, разгрузка конструкций, постановка дубли­
рующих элементов, изменение расчетных и геометрических схем конст­
рукций, введение затяжек, шпренгелей, использование предварительно
напряженных наружных прядей и другие.
В середине XX века широкое распространение получил разрабо­
танный в Германии и Швейцарии способ усиления строительных кон-
П редисловие
5
струкний путем приклеивания стальных пластин в растянутой зоне
усиливаемых элементов Способ оказался весьма эффективным для
увеличения несущей способности железобетонных конструкций, осо­
бенно мостовых сооружений. Для усиления используются тонкие пла­
стины из низкоуглеродистой стали. Помимо увеличения сопротивле­
ния железобетонных плит и балок действию изгибающего момента
пластины увеличивают и жесткость конструкции, что приводит к
уменьшению прогибов. Наряду с достоинствами способ усиления
стальными пластинами не лишен и существенных недостатков: внеш­
нее расположение стальных пластин еще больше увеличивает риск их
повреждения в результате коррозии; большой собственный вес плас­
тин приводит к нарушению сцепления между ними и бетоном и, как
следствие, к отслоению пластин от бетона; значительная трудоемкость
и технологическая сложность монтажа усиливающих элементов; необ­
ходимость применения дополнительного громоздкого оборудования;
практическая невозможность усиления непрямых поверхностей; ухуд­
шение безопасности выполнения работ по усилению; большая продол­
жительность производства работ по усилению исключает на длитель­
ный срок эксплуатацию объекта, в результате чего собственник несет
финансовые убытки.
Вместе с тем параллельно в течение многих десятилетий в аэрокос­
мической и авиационной промышленности применялись композицион­
ные материалы, армированные углеродным, арамидным, полиэфирным
и стекловолокнами. Их несомненными достоинствами являются высо­
кие прочность па растяжение и модуль упругости, малый вес, техноло­
гичность, невосприимчивость к агрессивным внешним факторам, спо­
собность повторять практически любые формы конструкции, выносли­
вость и другие факторы.
В строительстве они первоначально рассматривались как альтернати­
ва применяемым стальным пластинам. Одни из первых эксперименталь­
ных исследований по использованию композиционных материалов для
восстановления изгибаемых железобетонных конструкций были проведе­
ны в Германии в 1978 году [1]. Усиление колонн обоймами из композици­
онных материалов впервые было осуществлено в Японии в 80-х годах XX
века. Основными преимуществами композиционных материалов но срав­
нению со стальными пластинами являются присущее им высокое значе­
ние отношения прочности на растяжение к собственному весу (выше, чем
у стали, более чем в 10 раз) и высокая сопротивляемость химическим воз­
действиям и коррозии, легкость транспортировки, возможность усиления
поверхностей с переменным радиусом кривизны, возможность эксплуата­
ции сооружения во время проведения работ по ремонту и усилению, что
позволяет избежать значительных финансовых потерь.
За последнее десятилетие число сооружений, отремонтированных и
усиленных с помощью композиционных материалов, увеличилось в сот­
ни раз. Особенно широко они стали применяться для усиления инже­
нерных конструкций различного назначения в Японии после землетря­
6
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
сения 1995 года в Кобе. Пожалуй, единственным существенным сдержи­
вающим фактором их более широкого использования в гражданском и
промышленном строительстве являлась относительно высокая сто­
имость самого материала, хотя в настоящее время этот фактор можно
считать больше психологическим. Проигрыш в стоимости материала
полностью окупается снижением стоимости и трудоемкости выполне­
ния работ по усилению, отсутствием необходимости покупки дорогос­
тоящего монтажного оборудования, сокращением сроков ремонта и воз­
можностью эксплуатации сооружения во время выполнения ремонтных
работ, увеличением межремонтного периода для восстановленной или
усиленной конструкции.
Накопленный мировой и отечественный опыт применения компози­
ционных материалов для усиления строительных конструкций являет­
ся положительным, то есть во всех случаях усиленные конструкции на­
ходятся в эксплуатационном состоянии, и отказа внешней арматуры из
композиционных материалов не наблюдается. Эго вызывает быстрый
рост применения композиционных материалов для ремонта и усиления
строительных конструкций различных инженерных сооружений - про­
мышленных и гражданских зданий, мостовых конструкций, башен, труб,
свайных опор, морских причалов, обделок тоннелей и других подземных
сооружений, памятников архитектуры.
На современном этапе развития науки и техники ведущей концепцией
повышения надежности строительных конструкций является системный
подход, охватывающий весь жизненный цикл любого инженерного соору­
жения - проектирование, строительство, эксплуатация, включая монито­
ринг его текущего состояния, проведение диагностических исследований
перед усилением (ремонтом), выполнение проектных работ по ремонту,
собственно технологические операции но ремонту и усилению с последую­
щим контролем качества выполненных работ.
В последние годы проблеме обеспечения надежности строительных
конструкций на всех стадиях их возведения и эксплуатации, особенно в
случае их ремонта и усиления, уделяется значительное внимание как рос­
сийскими, так и зарубежными исследователями. Вместе с тем в отече­
ственной научно-технической литературе до настоящего времени отмеча­
ется лишь незначительное количество обобщающих публикаций но ре­
монту, восстановлению и усилению железобетонных конструкций компо­
зиционными материалами нового поколения. В данной книге авторы из­
ложили свою точку зрения, основанную как на обширной собственной
практике ремонта и усиления железобетонных конструкций композици­
онными материалами, так и на анализе зарубежного опыта проектирова­
ния и технологии усиления различных инженерных сооружений.
Авторы выражают глубокую признательность докт. техн. наук,
главному научному сотруднику Н И И Ж Б Т.А. Мухамедиеву и докт.
техн. наук, заведующему кафедрой «Строительные материалы» МГСУ
В.В. Козлову за ценные замечания при рецензировании.
Г л а в а 1.
I
ОСНОВНЫЕ П О Л О Ж Е Н И Я П О Р Е М О Н ТУ ,
ВОССТАНОВЛЕНИЮ И У С И Л Е Н И Ю
Ж ЕЛЕЗОБЕТОННЫ Х К О Н С ТР У К Ц И Й
1.1. Ремонт, восстановление и усиление конструкций
инженерных сооруж ений
В отечественных нормативных документах по проектированию
строительных конструкций из различных материалов, а также инже­
нерных сооружений многопрофильного назначения [2 - 13] термины
«надежность», «долговечность», «работоспособное состояние» упоми­
наются лишь один или несколько раз в начале общих указаний без их
связи с последующими разделами норм [14].
Долговечность конструкций, согласно нормам Европейского коми­
тета по бетону (FIB ), обеспечивается, если проектирование, строи­
тельство и эксплуатация железобетонных сооружений осуществляют­
ся так, чтобы в соответствующих прогнозируемых условиях внешней
среды они сохраняли безопасность, эксплуатационную надежность и
приемлемый внешний вид в течение определенного периода времени,
не требуя при этом непредвиденных эксплуатационных затрат.
Свойства современного бетона, из которого выполняются конст­
рукции, регламентируются нормами и правилами многих стран:
СНиП 2.03.01-84*, ENV206, DIN 1048, BS 1881, ACI 201, ACI 318, ACI
357, N5-3474. Однако даже выполнение всех норм не обеспечивает га­
рантированного качества на весь проектный срок службы капиталь­
ных сооружений, тем более что такой срок находится в пределах от 100
до 200 лет (мосты, тоннели, резервуары, плотины, путепроводы).
Анализ опыта эксплуатации инженерных сооружений из бетона и
железобетона показывает, что они разрушаются значительно раньше,
чем предусмотрено проектным нормативным сроком, из-за ускоренно­
го физического износа. Ремонт, по своей сути, представляет собой
комплекс технических мероприятий и работ, направленных на поддер­
жание и восстановление работоспособного состояния зданий, соору­
жений или их отдельных частей и конструкций.
Затраты на ремонт и восстановление сооружений значительно пре­
вышают нормативные, а сроки их проведения, объемы и содержание
работ назначаются без учета текущего и будущего состояния элемен­
тов конструкций.
Для того чтобы подобные сооружения могли с минимальными зат­
ратами эксплуатироваться на заданном уровне надежности весь про­
ектный срок службы, необходимо проводить соответствующие профи­
8
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций композиционны м и м а те р и а л а м и
лактические и по необходимости запланированные ремонтные меро­
приятия. Стандарты многих стран рекомендуют некоторые из этих
действий, например EN 1504, EN 1508 UNI 9747 и др.
Само проектирование ремонта, а также технология и организация
выполнения ремонтных и восстановительных работ в значительных
объемах носят сегодня достаточно абстрактный характер Это объяс­
няется тем, что начало массового ремонта железобетона приурочено к
50-м годам XX века, когда после Второй мировой войны появилась не­
обходимость в восстановлении различных промышленных и жилых
сооружений, расположенных в разных условиях и имеющих различ­
ную степень повреждений. Вектор действия с тех пор направлен на оп­
тимизацию параметров технологических решений, организацию работ,
выбор материалов и контроль качества на всех этапах проектирования
и производства ремонтных и восстановительных работ. То есть техно­
логия и организация ремонта из-за своей «молодости» и наличия мно­
жества нечетко определяемых параметров все еще нуждаются в дора­
ботке, опробовании новых путей развития и пр.
Большинство проблем, возникающих сегодня при производстве
ремонтных мероприятий в капитальных сооружениях, связаны с недо­
статочным вниманием к деталям проектирования, технологии и орга­
низации работ. Материалы, применяемые для ремонта, хотя и имеют
большое значение, доставляют меньше неприятностей, тем более что
они не являются конечным продуктом, каковым становится отремон­
тированное сооружение. Однако их влияние, а особенно правильный
подбор и выбор имеют немаловажное значение для увеличения срока
службы сооружения и будущего межремонтного периода. При подбо­
ре материалов для ремонта необходимо уделять внимание целям, для
которых они используются. Может возникнуть ситуация, когда соста­
вы высокого качества, проверенные опытом, окажутся бесполезными,
если их будут неправильно применять.
Правильный, обоснованный подбор и выбор материалов для ре­
монта — пока еще новый, окончательно не сформировавшийся про­
цесс. Он станет более определенным и возможным к применению в
массовом порядке только в том случае, когда будет приобретен боль­
ший опыт производства работ, а количество ошибок при проектирова­
нии ремонтных работ значительно уменьшится или будет сведено к
минимуму, чего, к сожалению, сложно ожидать в ближайшее время.
Первоначально в качестве материалов для ремонта использова­
лись бетоны с мелкой фракцией щебня, торкрет-бетон и специальные
строительные растворы, изготавливаемые на строительной площадке.
Впоследствии появились растворы заводского изготовления, достав­
ляемые к месту работ в различной расфасовке. Подбор их состава и
свойств проводился на основе различных стандартов, строительных
норм и правил и чаще всего с использованием подручных, наиболее
дешевых или стандартных компонентов.
Глав о
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и у с и л е н и ю .
9
Следовательно, ранее уже осуществлялись попытки отремонтиро­
вать конструкции из бетона, который в разных регионах всегда разли­
чался по своим свойствам и составу; при этом использовались материа­
лы, которые, в свою очередь, отличаются как от субстрата, так и друг от
друга по качеству и своей структуре. Мало того, ремонтировались кон­
струкции, которые изготовлялись из сырья, произведенного еще 30—40
и более лет назад, и, следовательно, имели качество, соответствующее
тому периоду. Во время ремонта эти материалы могли уже отсутство­
вать в природе или требования к ним могли серьезно измениться.
Говорить об эффективности ремонтных работ, выполняемых в по­
добных условиях, анализируя многочисленные отказы конструкций,
сегодня становится актуальным для различных отраслей, так как ко­
личество средств и ресурсов, затрачиваемых для ремонта и восстанов­
ления конструкций и сооружений, заставляет искать правильные и
экономичные решения.
Так как большинство отремонтированных железобетонных элемен­
тов отличаются друг от друга условиями эксплуатации, составом бетона
и качеством арматуры, то должно пройти много времени для выявления
общих закономерностей, которые создадут основу установившихся нор­
мативных технических решений по восстановлению их качества. Сегод­
ня мы не имеем выработанных временем и опытом решений и часто не
знаем, что делать, ремонтировать конструкцию или ее выгоднее заме­
нить на новую. Ликвидация сооружения или продление его эксплуата­
ции, с точки зрения оптимизации расходования средств заказчика и
интересов экологии, имеют важное и скорее всего первостепенное зна­
чение. Необоснованные и непланируемые затраты на ремонт и восста­
новление сооружений, а особенно их подземных частей, наносят ущерб
окружающей среде в части потребления ресурсов, изменения условий
эксплуатации, загрязнения воды, грунтов и пр. Но и выполнение ремон­
тных работ не гарантирует потребителя от негативных последствий.
Неудовлетворительные характеристики по долговечности конст­
рукций железобетонных сооружений, ранние отказы, вызванные раз­
личными причинами, приводят к нарушению режима эксплуатации и
к затратам на ремонтные работы, на которые у владельцев нет средств
и повторять которые они не желают.
В промышленно развитых странах более 40 % капиталовложений
в строительной отрасли используется для эксплуатационного ухода
и ремонта сооружений из железобетона и менее 60 % — для возведе­
ния новых [15]
В конце 90-х годов в США только для ремонта мостов из железобе­
тона требовалось более 20 млрд долларов в год, и, согласно расчетам,
эти затраты возрастают ежегодно на 0 5 млрд долларов В Великобрита­
нии на ремонт подобных сооружений ежегодно тратится более 1 млрд
долларов и также прослеживается тенденция к увеличению эксплуата­
ционных затрат.
10
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Потери, связанные с коррозией арматурной стали в бетоне, в Ки­
тае достигают значительной величины. Например, некоторые цеха
промышленных предприятий К Н Р подверглись разрушению от кор­
розии, пробыв в эксплуатации около 2—3 лет, и их приходилось ре­
монтировать. В одном из сооружений пришлось 15 раз проводить ре­
монтные работы в течение срока его эксплуатации, продолжавшегося
16 лет, причем суммарные затраты на ремонт были равны стоимости
строительства 18 новых подобных объектов [15].
Из данных, приведенных в [15], следует, что в России средства,
затрачиваемые на ремонт и восстановление промышленных сооруже­
ний, за 4—5 лет доходят до суммы, равной общей их стоимости.
Ремонт и восстановление конструкций из железобетона в настоя­
щее время не имеют стройной и глубокой научной основы, позволяю­
щей судить об их эффективности. Можно говорить только об отдель­
ных, выявленных определенными авторами результатах. Так как дос­
товерность этих результатов оставляет желать большего, то при оцен­
ке эффективности работ мы можем судить лишь по появлению дефек­
тов, возникающих после их выполнения.
Сегодня состояние большинства отремонтированных сооружений
из железобетона претерпевает серьезное ухудшение спустя несколько
лет после того, как в них производились ремонтные работы. По дан­
ным проведенных исследований, около 75 % отказов при ремонте же­
лезобетонных конструкций наступает по истечении всего 5 лет. Счи­
тается успехом, если повторный ремонт необходимо выполнять через
12—15 лет. В идеальном случае такие работы приходится повторять
через 25 лет [16].
Поскольку достоверных данных о разрушении отремонтированно­
го бетона в мире существует мало, можно в определенном приближе­
нии ориентироваться на статистику и анализ дефектов, полученных
после выполнения бетонных работ при строительстве сооружений.
Конечно, это некорректно, но других обоснованных данных на сегод­
няшний день мы имеем очень мало.
Рассматривая факты, полученные при анализе причин появления
дефектов после выполнения строительных работ в наиболее развитых
странах, можно привести несколько примеров [17].
Франция. И нформация о характере и стоимости ликвидации де­
фектов в зданиях, полученная на основе результатов анализа по стра­
хованию, показывает следующее:
• 37 % дефектов возникло при проектировании;
• 51 % — в ходе строительных работ;
• 12 % дефектов объясняются другими причинами.
Испания. На основании обследования 510 мостовых сооружений, в
том числе 352 железобетонных, были выяснены причины повреждений,
которые по порядку значимости распределились следующим образом:
Гяова
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси л ен и ю ...
11
• ошибки при производстве строительных работ;
• отсутствие эксплуатационного ухода и ремонта;
• ошибки в процессе проектирования.
Швейцария. При анализе данных 800 случаев эксплуатации желе­
зобетонных сооружений получено следующее
• 37 % дефектов происходит из-за некачественного проектирова­
ния конструкций;
• 39 % дефектов возникло по вине производителя работ;
• 8 % — из-за просчетов архитектора;
• 16 % дефектов объясняется другими причинами.
США. Проведенное Американским институтом бетона изучение
дефектов и недостатков при строительстве бетонных сооружений по­
казало следующее:
• 57 % дефектов возникло при проектировании;
• 50 % — при строительстве.
Общее количество дефектов и недостатков, составляющее в после­
днем случае 107 %, объясняется тем, что иногда имели место оба вида
нарушений.
По данным [18], причинами повреждений и разрушения конструк­
ций в сооружениях из железобетона являются
• плохое качество строительства - 59 %;
• неудовлетворительное проектирование - 12 %;
• некачественная эксплуатация, включая форс-мажорные обстоя­
тельства, — 29 % [18].
Определено [19], что 99 % дефектов, связанных с качеством работ,
возникало в результате плохого общего уровня проектирования, раз­
работки узлов, технических условий, исполнения строительных работ
и управления. Остающийся 1 % объясняется другими факторами, в
том числе выбором и качеством материалов для ремонта.
Таким образом, можно констатировать, что основными причинами
возникновения дефектов в железобетонных конструкциях являются
некачественное проектирование, ошибки в процессе строительства,
неправильная эксплуатация зданий и сооружений, а также стихийные
бедствия и боевые действия. Необходимо также четко представлять
себе, что даже если нам удастся избежать всех вышеперечисленных
ошибок, то и в этом случае в силу воздействия на железобетонную
конструкцию неблагоприятных факторов внешней среды (зачастую
меняющиеся во времени нагрузки и воздействия, коррозия бетона и
арматуры, заражение бетона хлоридами и т.д.) эта конструкция будет
подвержена физическому износу.
Наиболее достоверные данные по времени появления отказов пос­
ле выполнения ремонтных работ получены нами в результате обследо­
вания 20 км тоннелей инженерных коммуникаций в г. Москве. Всего с
1990-го по 2005 год нами отремонтировано 80 км тоннелей.
12
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
Причиной повреждений конструкций тоннеля была электрохими­
ческая коррозия арматуры, происходящая из-за карбонизации бетона
и наличия хлоридов (до 2 % массы цемента). В основном ремонтиро­
вались ребра жесткости плит перекрытий в их центральной части, что
не исключало дальнейшего продолжения коррозионного процесса.
Д ля исследования отобрано 25 % объема отремонтированных кон­
струкций из типовых сборных железобетонных перекрытий.
В результате многолетних исследований получено, что отказ после
первого ремонта наступает через 12 лет. Достоверность результатов
составила 84,2 %. Следует отметить, что причиной отказа является
продолжающаяся после ремонта электрохимическая коррозия метал­
ла, происходящая из-за нарушения технологии производства работ
(40 °о), из-за принятия неправильных проектных решений (10 %) и
конструктивных недостатков сооружения (50 %).
Так как работы выполнялись с использованием одной ремонтной
системы материалов, отобранной на протяжении первых трех лет ре­
монта, то значительных претензий к качеству и совместимости со
«старым» бетоном не было.
Наличие достоверной информации об отказе вследствие примене­
ния материалов незначительно, так как все приведенные в литературе
данные имеют общий характер, они собирались и анализировались
специалистами, которые недостаточно точно понимали сущность ре­
монта и требования к нему.
Исходя из данных по санации конструкций, можно отметить, что
большинство дефектов и проблем, так же как и при строительстве но­
вых сооружений, вызваны недостаточным вниманием к проектирова­
нию работ и особенно к узловым деталям, низким уровнем выполне­
ния работ и недостаточным контролем их качества.
Проектирование ремонтных и восстановительных работ должно
осуществляться с учетом технического задания заказчика; оценки влия­
ния окружающей среды; определения необходимых эксплуатационных
качеств при существующих видах воздействия; общей принятой кон­
цепции при проектировании сооружения; требуемого уровня разработ­
ки проектной и рабочей документации; технологии выполнения работ;
требований эксплуатации и управления эксплуатацией сооружения.
Причин, которые приводят к преждевременной потере сооружени­
ем эксплуатационных качеств до и после первого и последующих ре­
монтов, много, но сегодня чаще всего доминируют экономические.
К сожалению, в своих действиях инженер-строитель всегда ограни­
чен давлением экономических факторов («эко-спазм»), которые часто
вынуждают его совершать ошибки за счет принятия самых «дешевых»
решений, вместо того чтобы разработать и представить заказчику на­
дежный вариант производства работ, за который он должен нести ответ­
ственность. Прискорбно, но к этому его чаще всего «подвигает» сам за­
Глава
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и у си л ен и ю ..
13
казчик, который хочет сэкономить денег сегодня, не понимая, к чему это
может привести завтра (например, выполнение локального ремонта
там, где необходим сплошной; незавершение ремонтных работ из-за от­
каза заказчика наносить защитное покрытие и пр.). Поэтому очень час­
то ремонтными работами на всех уровнях занимаются люди, мало что
понимающие в этом процессе.
«К сожалению, всё, что связано с ремонтом железобетона, часто
воспринимается как очень простое занятие, которое может делать каж­
дый дурак... Именно он этим часто и занимается, да еще и с благосло­
вения заказчика», — так заметил Адам Невилл [20]. Квалификация и
опыт исполнителей при производстве работ по ремонту и восстанов­
лению конструкций имеют огромное значение. Так как технология и
организация ремонтных работ в большей части связаны с ручным тру­
дом и индивидуальным подходом к решению конкретных задач, то ра­
бочие и бригадиры являются основой строительно-ремонтной индуст­
рии, и если они не имеют необходимых навыков, основная часть вре­
мени и средств, потраченных на оценку технического состояния кон­
струкций, проектирование и производство материалов, а также на вы­
полнение работ, расходуются впустую. В настоящее время существует
острая потребность в техническом обучении и повышении квалифика­
ции этого персонала. Безусловно, использование хорошего проекта и
правильный подбор и выбор материалов имеют большое значение, но,
как видно из изложенного, оказываются недостаточными без надлежа­
щего качества выполнения строительных работ.
Существует много важных причин, которые тормозят развитие тех­
нологии выполнения ремонта, и можно отметить, почему совершенство­
вание работ происходит медленно. Это, прежде всего, можно объяснить
следующим:
1. Отремонтированный железобетон в сооружении представляет
собой сложную композиционную систему, которая подвергается воз­
действию внешних неблагоприятных условий окружающей среды.
Каждый элемент этой системы может различно реагировать на нагруз­
ки, воздействия и агрессивность внешней среды.
2. Существует ничем не подкрепленное мнение, что все проблемы
можно решить, если использовать материалы с «высокими эксплуата­
ционными качествами», добавки — ингибиторы коррозии, защитные
покрытия и т.п. По этой причине многие из тех, кто ремонтирует со­
оружение, пренебрегают базовыми принципами технологии бетона и
других материалов на цементной основе.
3. Отсутствуют доступные и достоверные методики определения
качественных показателей ремонтируемого бетона и ремонтных мате­
риалов в конструкции, что делает сложным осуществление правиль­
ного подбора и выбора материалов, оценки их совместимости с суб­
стратом и выполнение контроля качества.
14
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций композиционны м и м а те р и а л а м и
4. Подрядные и эксплуатационные организации не оказывают
должного внимания исследованиям в области ремонта и восстановле­
ния сооружений из бетона и железобетона.
5. Подробных инструкций и рекомендаций по решению проблем
коррозии арматуры в бетоне не существует, а механизмы ее защиты и
разрушения в различных условиях могут существенно различаться.
Сегодня выполняется и анализируется значительный объем научных
исследований, касающихся защиты арматуры в бетоне при ремонте.
6. Коррозия арматуры, замоноличенной в материалы на цементной
основе, представляет собой чрезвычайно сложное явление, связанное
с учетом факторов воздействия внешней среды, качества металла, ус­
ловий на границе раздела между материалами и пр. Большинство ис­
следований в этой области проводится в лабораториях различных
Н И И и университетов, где мало кто из сотрудников располагает необ­
ходимым объемом практических навыков и знаний, выходящих за
пределы их специальности. Последнее приводит к одностороннему
подходу к вопросам ремонта конструкций.
В большей части специалисты, занимающиеся изучением поведе­
ния конструкций, уделяют внимание отдельным причинам, оказываю­
щим влияние на долговечность. Но только системный, стратегичес­
кий подход к исследованиям по износу и ремонту сооружений во
времени даст возможность получить необходимые решения по обес­
печению требуемой их надежности и долговечности.
Такой подход к ремонту и восстановлению сооружений из железо­
бетона начинается с диагностики конструкций и далее предусматри­
вает проектирование, подбор материалов и способов работ, подготов­
ку поверхности субстрата, нанесение ремонтного материала и конт­
роль качества
Значительный объем знаний о проектировании долговечного ремон­
та существует, но он не систематизирован и используется неэффективно.
В развитии исследований по ремонту и восстановлению железобе­
тона нуждаются многие научные направления, но приоритет сегодня
должен быть отдан следующим:
• соотнесение научных исследований с конкретными практичес­
кими приемами и методами строительных работ;
• решение задач совместимости материалов и выявление опаснос­
ти возникновения преждевременной коррозии арматуры в отремонти­
рованных сооружениях;
• определение сроков межремонтных периодов как при первом,
так и при последующих ремонтах;
• оценка состояния конструкций, подлежащих ремонту и восста­
новлению, их надежности и долговечности;
• выбор параметров технологии производства работ и контроль
качества [17]
Глава
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси лен и ю ...
15
Эффективный и долговечный ремонт железобетона можно осуще­
ствить только при условии детальной диагностики конструкций и вы­
яснения причин разрушения, которые будут полностью учитываться в
процессе подбора материалов, соответствующих условиям воздей­
ствия внешней среды и эксплуатационным нагрузкам, а также одно­
временно обладающих длительной совместимостью с субстратом
Сегодня специалисты хорошо разбираются в механизмах, которые
могут приводить к износу и утрате эксплуатационной пригодности со­
оружения, но способность достоверно соотносить эти механизмы со
сроком службы все еще сильно нуждается в развитии.
Под усилением строительной конструкции понимается комплекс
мероприятий, направленных на повышение ее несущей способности,
жесткости, трещиностойкости и других физических качеств, необхо­
димых по условиям ее дальнейшей эксплуатации. Необходимость уси
ления строительных конструкций может быть вызвана:
• увеличением расчетных нагрузок на конструкцию, вызванным
модернизацией технологии производства, изменением функциональ­
ного назначения помещений здания или инженерного сооружения,
увеличением пропускной способности, а следовательно, и подвижной
временной нагрузки, например на мостовую конструкцию;
• потерей несущей способности конструкции или ее эксплуатаци­
онных качеств вследствие аварии, физического износа, коррозии ар
матуры или агрессивного воздействия внешней среды;
• изменением геометрических параметров конструктивной систе­
мы зданий и сооружений: пролетов, высот, шага колонн и т. д.;
• ошибками при проектировании, изготовлении, транспортиров­
ке, монтаже и эксплуатации конструкций;
• изменением условий эксплуатации конструкций по сравнению с
проектными;
• особыми условиями эксплуатации: сейсмические природные и
техногенные воздействия (землетрясения, пожары, катастрофы, взры ­
вы и т. д.).
В больш инстве случаев усиление конструкции сопровож дается
ее предварительным ремонтом. К настоящ ему времени в отече­
ственной и зарубежной практике накоплено множество различных
конструктивных приемов усиления, выбор которых обусловливает­
ся условиями ремонта и усиления конкретной железобетонной кон­
струкции. Основные способы усиления строительных конструкций,
в том числе и с использованием композиционных материалов, под­
робно описаны в научно-технической литературе [21 - 24]. С оот­
ветствие степени усиления ф актическим нагрузкам и состоянию
усиливаемой конструкции является определяю щ им условием
Обычно выделяют три наиболее важных ф актора, влияю щ их на
выбор проекта усиления:
16
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций композиционны м и м ате р и а л а м и
1) сроки производства работ и, соответственно, остановки действу­
ющего производства;
2) трудоемкость выполнения работ;
3) величина затрат на производство работ и эксплуатацию.
Обычно специалисты называют еще четвертый фактор - надеж­
ность усиленной конструкции и затраты на эксплуатацию.
Можно выделить два основных направления при производстве
усиления конструкций:
• без разгрузки конструкции;
• с разгрузкой конструкции.
Первое направление можно подразделить на два метода усиления:
с изменением расчетной схемы и напряженного состояния строитель­
ной конструкции и без изменения расчетной схемы и напряженного
состояния конструкции.
При производстве работ по усилению с разгрузкой конструкции
условно выделим способы усиления при полной разгрузке с последу­
ющим исключением конструкции из работы и ее заменой на новую
(этот способ реконструкции скорее следует считать возведением ново­
го строительного объекта либо его конструктивно независимого эле­
мента) и способы усиления при частичной разгрузке конструкции
либо ее элемента.
Чтобы дать представление о многообразии различных методов и
способов восстановления несущей способности или усиления строи­
тельных конструкций, рассмотрим наиболее распространенные из них,
объединив их в две группы (рис. 1.1)
Практически каждый из авторов, занимающихся проблемой усиле­
ния конструкций, приводит в своих трудах подробные обзоры спосо­
бов усиления с анализом их достоинств и недостатков. Даются развер­
нутые классификации способов усиления, хотя о строгой классифика­
ции этих способов можно говорить лишь с достаточной степенью ус­
ловности. Так, в большинстве случаев разные способы взаимосвязаны,
и сложно провести грань между способами усиления с изменением
конструктивной схемы и способами усиления с частичной разгрузкой
конструкции. «Простые» предварительно-напряженные затяжки или
шпренгели, по существу, являю тся разгружающими конструкциями
для существующих изгибаемых элементов, а дополнительные железо­
бетонные опоры, предназначенные для усиления изгибаемых элемен­
тов, частично разгружают колонну. Даже простое увеличение попереч­
ных сечений элементов обоймами и т.п., при изменении жесткости
элементов, влечет за собой перераспределение усилий в статически
неопределимых конструкциях.
В России вопросами ремонта, восстановления несущей способнос­
ти и усиления строительных конструкций широко начали заниматься
во время и после Гражданской войны. Первый крупный проект [25], в
Глава
1 О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси лен и ю ...
17
Рис. 1.1. Способы усиления строительных конструкций
котором решался вопрос о необходимости повышения несущей спо­
собности железобетонных элементов - ригелей Изюмского паровозно­
го депо, предусматривал применение обойм с дополнительной стерж­
невой продольной арматурой и поперечной - в виде обмотки. Руково­
дителем проекта был инженер В.А. Струве (1919). Причиной, вызвав­
шей необходимость усиления конструкций, была недостаточная плот­
ность бетона и усиленная коррозия арматуры.
В 30-е годы наряду с железобетонными обоймами начали приме­
нять разгружающие конструкции, обеспечивающие удобство проведе­
ния работ в условиях действующего производства.
В 1933—1935 годах под руководством А.А. Гвоздева и А.П. Василь­
ева в Ц Н И И П С е были проведены экспериментальные исследования
по сцеплению бетонов разных возрастов [26] и предложена техноло­
гия, обеспечивающая сцепление старого бетона с новым. Надежность
сцепления достигается за счет укладки нового бетона на очищенную
шероховатую и увлажненную поверхность старого бетона с обязатель­
ным вибрированием. Эти исследования послужили началом широко­
го применения железобетонных обойменных конструкций [27]. Обой­
мы устраиваются замкнутыми, охватывающими элемент со всех сто­
рон. При усадке бетона обойма плотно обжимает усиливаемый эле­
мент и увеличивает надежность связи нового и старого бетонов.
Проведены были также исследования сцепления бетонов разных воз­
растов при разных способах усиления, когда связь по контакту поверхно­
18
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций композиционны м и м а те р и а л а м и
стей элемента усиления и усиливаемой части осуществляется или только
за счет приварки арматуры усиления, или за счет проведения дополни­
тельных технологических мероприятий (насечка, очистка, вибрирование
и т. п.). При этом было выявлено, что разрушение происходило прибли­
зительно при одной и той же нагрузке, вплоть до которой обеспечивалась
совместность работы старого и нового бетонов и не наблюдалось рассло­
ения по контакту [28].
В 1939—1940 годах возникла задача усиления несущих конструк­
ций ряда мостов и других сооружений, работающих на динамическую
нагрузку. Исследование усиленных обоймами балок, подверженных
динамическим нагрузкам, были проведены В.В. Пинаджяном [29].
Усиление балок осуществлялось трехсторонним и двухсторонним на­
ращиванием под нагрузкой до 20 % от разрушающей. Дополнительная
арматура устанавливалась с некоторым дополнительным напряжени­
ем. На основе этих опытов было сделано предложение о расчете уси­
ленных под нагрузкой элементов как монолитных и положительно
решен вопрос о возможности применения железобетонных обойм для
усиления железобетонных конструкций, находящихся под действием
динамических нагрузок.
В годы Великой Отечественной войны была выпущена специаль­
ная инструкция Наркомстроя И-54-41, в которой систематизировался
опыт усиления железобетонных конструкций обоймами [30].
В конце 40-х годов начались работы по усилению железобетонных
конструкций с изменением их конструктивной схемы [27] и путем разгружения усиливаемых конструкций. А.Д. Стрункин впервые провел
серию испытаний железобетонных балок, усиленных стальными
шпренгелями [31].
В то же время В.В. Михайловым |32] был предложен способ вос­
становления железобетонных конструкций, имеющих локальные раз­
рушения и дефекты в виде трещин, раковин, выбоин и т.п., их омоноличиванием с применением расширяющегося цемента.
И.А. Ф издель разработал метод цементации, инъектирования ра­
створа под давлением для залечивания трещин и иных повреждений
железобетонных конструкций при восстановлении их первоначальной
несущей способности [33, 34].
Опыт усиления конструкций оказал непосредственное влияние на
внедрение в практику предварительно-напряженного железобетона.
Так, в 1936 году А. Лоссье применил для усиления опорных сечений
предварительно-напряженные хомуты. В случае необходимости он ре­
комендовал искусственно создавать напряжения, действующие в на­
правлении, противоположном нормальным, с помощью твердой сталь­
ной проволоки или другими способами [35].
В 1939 году в Англии запатентован способ усиления балок с помо­
щью предварительно-напряженного шпренгсля. Вклад в развитие уси­
Глава
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси л ен и ю ..
19
ления конструкций с помощью предварительно-напряженных элемен­
тов внесли Л. Юбиц, Ф. Леонгард, Д. Лесарж, Г. Кани 136, 3 7 1.
Начиная с 50-х годов и на протяжении почти 20 лет Ю.И. Лозовой
[38] проводил работы в области применения предварительно-напря­
женных конструкций для усиления изгибаемых элементов. В 70-х го­
дах эти работы продолжил Е.Р. Хило. Электротермический и термоме­
ханический методы включения в работу предварительно-нанрягаемой
арматуры или других типов напрягаемых конструкций усиления, раз­
работанные ими в Львовском политехническом институте, нашли
практическое применение [39, 40].
С 50-х годов стали применяться различные оригинальные спосо­
бы усиления, основанные на применении эпоксидных клеев [41]. С
помощью клеев возможна установка дополнительной арматуры на
полимерном растворе, приклеивание листового металла, приклеива­
ние стеклоткани, соединение отдельных элементов на клею [42]. О д­
нако, вследствие недостаточной разработанности технологии таких
способов усиления, говорить об их широком применении в те годы
было преждевременно.
Выбор конструкционных материалов для ремонтных работ соору­
жений из железобетона основан на исправлении недостатков проекти­
рования и строительных дефектов, увеличении нагрузки на сооруже­
ние, на коррозии бетона и арматуры, уменьшении ширины раскрытия
трещин и чрезмерных прогибов.
Способы усиления и восстановления поврежденных участков кон­
струкций в значительной степени могут различаться как но технико­
экономическим показателям, так и по ремонтопригодности, вслед­
ствие чего правильный их выбор в каждом конкретном случае являет­
ся чрезвычайно важным (рис. 1.2). Поспешное и неграмотное усиле­
ние может привести к излишним неоправданным затратам, увеличить
сроки выполнения работ и даже вызвать нежелательные результаты.
Для того чтобы успешно разработать и выбрать способ и материал
для усиления, необходимо использовать системный подход, включаю­
щий оценку состояния всей системы «усиливаемая конструкция элемент уеиления». Вне зависимости от того, какой выбирается спо­
соб усиления, одним из основных требований, предъявляемых к сис­
теме, оказывается ее епособноеть функционировать как одно целое
Этого можно добиться в том случае, если будет обеспечено достаточ­
ное сцепление между находящимися в эксплуатации бетоном и наруж­
ной арматурой; прочность сцепления должна быть такой, чтобы со­
ставная конструкция функционировала как монолитная.
Рассмотрим подробнее несколько основных способов усиления
железобетонных конструкций.
Усиление конструкций увеличением площади поперечного с е ­
чения с применением ж елезобетона. Суть его заклю чается в нара-
20
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
Способ усиления
Достоинства
1 Подварка к арматуре дополнительных стержней
Уменьшение
расчетного
пролета
Уменьшение
расчетного
пролета
Увеличение рабочего
пространства, необходимость
устройства антикоррозионной
защиты
Уменьшение
расчетного
пролета
Увеличение рабочего
пространства, необходимость
устройства антикоррозионной
защиты
Повышение
трещиностойкости
конструкции
Увеличение рабочего
пространства, необходимость
устройства антикоррозионной
защиты, необходимость доступа с
поверхности конструкции
1 - усил- веемая конструкция; 2 - стропильная конструкция; 3 и
4 - арматуре ребра основная и дополнительная
2. Уменьшением пролета выносными опорами на
двухконсольных подпружных балочках
ТГ^ —
-
1 - усиливаемая конструкция; 2 - стропильная конструкция; 5 - подпружнь» Салочки
3. Подведением стальных балок, подклиненных к поперечным или
продольным ребрам
Недостатки
Увеличение рабочего
пространства, необходимость
устройства антикоррозионной
защиты, повреждения при
сварке арматуры
1 *усиливаемая конструкция; 2 - стропильная конструкция; 6 - стальная балка
4 Устройство шпренгеля
1 - усиливаемая конструкция; 2 - стропильная конструкция, 7 - щлренгель;
- опорные и подкладочные детали
5. Набетонирование плиты
1 - усил* ваемая конструкция; 3 - местное повреждение; 4 - дополнительная плита
6. Покрытие волнистыми асбоцементными листами
1 - усиливаемая конструкция; 5 - асбестоцементные листы
7 Соединение опорных деталей продольных ребер плиты тяжом
из уголка
Усиление
конструкции без
использования
внутреннего
рабочего
пространства
Необходимость доступа с
поверхности конструкции,
устройство гидроизоляции
Усиление
конструкции без
использования
внутреннего
рабочего
пространства
Необходимость доступа с
поверхности конструкции,
устройство гидроизоляции
Усиление
опорной части
ребер
Загромождение рабочего
пространства, устройство
антикоррозионной защиты
Усиление
опорной
части ребер
Загроможде нерабочего
пространства, необходимость
устройства антикоррозионной
защиты, необходимость доступа
с поверхности конструкции
1 - усиливаемая конструкция; 2 - стропильная балка, 6 -тюк из уголка
8. Установка хомутов на опорном участке продольного ребра
1 - усиливаемая конструкция; 7 - хомут; 8,9 - подкладные уголки
Рис. 1.2. К лассиф икация способов усиления
сооружения
конструктивны х
элементов
Глава
1 О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н ту , в о с с т а н о в л е н и ю и у си л ен и ю ..
21
щивании размеров поперечного сечения элементов слоями нового
бетона с добавлением арматуры. Сечения колонн, балок, плит и
стен можно увеличивать с целью повыш ения их несущей способно­
сти. Новый бетон должен иметь надежное сцепление со старым бе­
тоном, для того чтобы образовы вать монолитный элемент конст­
рукции - составную систему «усиливаемая конструкция - элемент
усиления». Усиливающий элемент может быть предусмотрен как из
аналогичного материала усиливаемой конструкции, так и из друго­
го материала.
Болес поздним усовершенствованием явилось использование тор­
кретбетона и растворной смеси, наносимой методом набрызга.
Усиление увеличением сечения (наращиванием), в зависимости от
материала усиливаемого и усиливающего элементов, осуществляется
прикреплением дополнительных штучных элементов или замоноличиванием. При конструктивном оформлении усиления увеличением
сечения следует придерживаться следующих требований:
• обеспечивать надежную совместную работу усиливающего и
усиливаемого элементов, как на силовые, так и на температурные и
другие воздействия, в соответствии с принятой схемой их соединения;
• назначать места обрыва элементов усиления в участках упругой
работы материала усиливаемых конструкций, избегать резких концен­
траторов напряжений. Перенапряженные растянутые элементы уси­
ливаются с обязательным доведением дополнительных элементов до
узлов: сжатые элементы могут быть усилены только на части пролета;
изгибаемые - в соответствии с эпюрой изгибающих моментов.
Учитывая, что усиливающий элемент увеличивает не только пло­
щадь сечения, но и момент инерции, а также перераспределяет усилия
в конструкции, то следует располагать его но сечению усиливаемого
элемента таким образом, чтобы максимально использовать расчетные
характеристики усиленного сечения.
В зависимости от вида напряженного состояния исходного эле­
мента усиливающий элемент следует располагать:
• в изгибаемых элементах; если нет опасности потери устойчивос­
ти, то с максимальным удалением о г нейтральной оси исходного сече­
ния для повышения момента сопротивления в плоскости изгиба;
• в центрально-сжатых элементах, не нарушая положения центра
тяжести, стремясь к увеличению радиуса инерции в обеих плоскостях;
• во внецептренно-сжатых элементах, повышая радиус инерции в
обеих плоскостях одновременно и добиваясь совмещения нейтраль­
ной оси с точкой приложения продольного усилия.
Усиливающий и усиливаемый элементы, в зависимости от способа
взаимного скрепления, могут работать совместно, как единая конст­
рукция, или раздельно, с перераспределением возникающих усилий
соответственно жесткостным характеристикам сечений.
22
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезоб етон н ы х конструкций композиционны м и м а те р и а л а м и
Ощутимую выгоду от увеличения строительной (конструктивной)
высоты за счет укладки поверх имеющейся конструкции дополнитель­
ного несущего слоя железобетона можно получить только в том случае,
если вся конструкция вплоть до достижения критического предельного
состояния будет функционировать как монолитная система. Для такой
системы, действующей по принципу монолита, требуется хорошее сцеп­
ление (или способность к передаче горизонтального сдвига на границе
раздела между материалами), которое не ухудшается раньше времени
под воздействием цикличных нагрузок от движения транспортных
средств, от внешней среды, а также температурных нагрузок.
Метод увеличения площади поперечного сечения элемента отно­
сительно прост и экономичен. Кроме этого, он в любом случае повы­
шает жесткость усиливаемой конструкции и, следовательно, снижает
гибкость, что для сжатых и сжато-изогиутых элементов имеет немало­
важное значение. Недостатком этого метода является остающаяся воз­
можность дальнейшей коррозии арматуры и разрушения бетона. Ста­
рый и новый бетоны обладают различными свойствами, в том числе
деформационными характеристиками (в новом бетоне протекают про­
цессы ползучести и усадки). В условиях ограничения свободы дефор­
маций это вызывает дополнительные растягивающие напряжения,
приводящие к образованию и развитию трещин в новом бетоне. Дан­
ное обстоятельство может привести к отслоению нового бетона от су­
ществующей конструкции.
Усиление конструкций изменением конструктивной схемы со­
оружения. Усиление изменением конструктивной схемы является од­
ним из наиболее эффективных методов усиления, особенно для изги­
баемых элементов. Сущность метода заключается в устройстве допол­
нительных конструкций, перераспределяющих силовые воздействия
на менее нагруженные элементы несущей системы конструкции. В
литературе метод иногда называется методом подведения разгружаю­
щих конструкций (опор), или методом частичной разгрузки.
В зависимости от вида разгружающей конструкции перераспределе­
ние усилий достигается уменьшением расчетного пролета, повышением
изгибной жесткости усиленного сечения или созданием более благо­
приятного распределения напряжений в усиливаемой конструкции.
Различают следующие методы усиления изменением конструктив­
ной схемы:
• устройство дополнительных опорных стоек или подкосов, рам,
подвесок;
• подведение разгружающих балочных конструкций;
• вынос опор;
• повышение жесткости узлов.
При усилении конструкций путем изменения конструктивной схе­
мы необходимо:
Глава
I. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н ту , в о с с т а н о в л е н и ю и у си л ен и ю .
23
• учитывать перераспределение усилий и обеспечивать несущую
способность смежных конструкций и их узлов;
• учитывать дополнительные усилия и напряжения при повыше­
нии статической неопределимости конструкций от температурных и
прочих воздействий,
• обеспечивать сохранность, местную прочность и местную устой­
чивость усиливаемой конструкции (свесов полок и стенок стальных
балок, закладных деталей железобетонных конструкций и т. д.), пре­
дусматривая в необходимых случаях дополнительные ребра и диаф ­
рагмы в стальных элементах, анкерные устройства и т.д.;
• предусматривать в конструктивных решениях элементов и узлов
возможность компенсации несовпадения размеров существующих и
новых конструкций.
По конструктивному исполнению усиление изменением конст­
руктивной схемы изгибаемых элементов выполняется устройством
подкосных и опорных стоек, порталов, рам, подвесок, шпренгелей,
балок, затяжек.
Данные способы усиления можно классифицировать как усиление
подведением жестких, упругих или гибких разгружающих конструкций.
Жесткие разгружающие конструкции применяют в тех случаях, ког­
да необходимо значительно увеличить несущую способность или раз­
грузить существующие конструкции. Усиливаемые элементы необходи­
мо проверить на действие поперечных сил в местах новых опор. В необ­
ходимых случаях выполняют усиление сечений в опорных участках.
Упругие разгружающие конструкции в виде балок довольно часто
применяются на практике. Разгружающие балки могут располагаться
снизу усиливаемой конструкции (перекрытия) в зависимости от тре­
бований к габаритам конструкций. Гибкие разгружающие конструк­
ции в виде расчалок, затяжек применяются реже.
Усиление конструкций полимербетонными композиционными
материалами также основано на увеличении площади поперечного се­
чения элемента. Впервые слой износа из полимербетона на эпоксид­
ном вяжущем был применен для усиления дорожного полотна в г.
Сакраменто (Калифорния) в 1953 году. Полимербетонные композици­
онные материалы можно классифицировать следующим образом:
• полимерцементный бетон, изготавливаемый путем добавления
полимера или мономера в обычный свежеприготовленный цемент в
процессе перемешивания;
• бетонополимер, изготавливаемый путем пропитки мономером
или полимером затвердевшего цементного молока, что приводит к
внутренней полимеризации бетона;
• полимербетон, изготавливаемый путем смешивания синтетичес­
кого полимера (синтетической полимерной смолы) или мономера,
функционирующего в качестве вяжущего, с заполнителем, после чего
проводится полимеризация.
24
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Полимербегонные композиционные материалы широко применя­
ются для ремонта и усиления железобетонных конструкций, особенно
в условиях агрессивной внешней среды. Это объясняется их сравни­
тельно высокой прочностью, низкой проницаемостью, износостойкос­
тью и стойкостью к воздействию многих химических факторов. К не­
достаткам полимербетонных композиционных материалов можно от­
нести низкую огнестойкость; изменение свойств при воздействии уль­
трафиолетового излучения; возможное трещинообразование при из­
менении объема в условиях ограничения свободы деформаций. Ф изи­
ко-механические свойства этих материалов восприимчивы к темпера­
турным колебаниям. При высоких температурах они развивают значи­
тельные деформации ползучести.
Усиление конструкций с предварительным напряжением арма­
турных пучков. Предварительное напряжение арматурными пучками
использовалось в строительной практике уже в 50-х годах прошлого
столетия. После некоторого периода относительного забвения оно
было заново открыто в качестве эффективного способа усиления кон­
струкций, позволяющего использовать новейшие достижения в облас­
ти технологии предварительного напряжения конструкций. В настоя­
щее время предварительное напряжение арматурными пучками широ­
ко применяется для усиления бетона в России, США, Японии, Ш вей­
царии и других странах.
Способ усиления конструкций, предусматривающий регулирова­
ние действующих в них напряжений, позволяет уменьшить усилия в
конструкции. Преимущество данного метода также состоит в том, что
усиление может производиться без разгрузки конструкции.
Регулирование усилий достигается предварительным напряжени­
ем усиливающих элементов до необходимого уровня.
При электрохимическом способе предварительно нагретый метал­
лический стержень непосредственно приваривается к усиливаемому
элементу или заводится за специально установленное анкерное уст­
ройство. Температура нагрева принимается 300—350 °С.
Для механического натяжения затяжек, шнренгелей применяют
гидравлические домкраты, болтовые соединения, винтовые распорки
и стяжки, натяжные параллелограммы, полиспасты, тали и др. Выбор
средств натяжения обуславливается величиной требуемого усилия
натяжения, особенностями усиливаемой конструкции и усиливающих
деталей, производственными условиями.
Натяжение контролируют по величинам усилий в домкратах, оп­
ределяемым по показаниям манометров и удлинению затяжек. Удли­
нение регистрируется индикаторами, тензометрами, прогибомерами.
После выполнения натяжения и его контроля положение затяжки (ан­
керных устройств) фиксируется диафрагмами, подкладками, ребрами
жесткости, упорными столиками, накладками и т.д.
Глава
1 О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н ту , в о с с т а н о в л е н и ю и у си л ен и ю ..
25
Методы предварительного напряжения особенно эффективны для
уменьшения недопустимых прогибов конструкций, находящихся в
эксплуатации.
Предварительное напряжение наружными прядями может приме­
няться на внутренней стороне балок коробчатого сечения или на на­
ружной стороне двутавровых балок для увеличения несущей способ­
ности находящихся в эксплуатации сооружений мостов, путепроводов
и тоннелей с целью повышения усталостной прочности и сопротивле­
ния трещинообразован ию.
К достоинствам способа усиления предварительным напряжением
арматурными пучками можно отнести:
• простую технологию производства работ;
• возможность контроля требуемого усилия натяжения;
• возможность последующего мониторинга усиленной конструк­
ции в течение всего срока ее эксплуатации с помощью неразрушаю­
щих методов контроля;
• возможность замены напрягаемых арматурных пучков или пря­
дей в любой момент времени.
Недостатки способа:
• подверженность коррозии металла наружных прядей;
• низкая огнестойкость;
• незащищенность от актов вандализма.
Защита системы предварительного напряжения наружными прядями
от агрессивного воздействия внешней среды и огня обычно осуществля­
ется за счет создания защитной оболочки из бетона или торкретбетона.
Способ усиления железобетонных конструкций с помощью
стальных пластин, имеющих сцепление с бетоном, был разработан в
начале 60-х годов XX века в Германии и Швейцарии. Стальные плас­
тины прикрепляются к бетонной поверхности с помощью эпоксидно­
го клеящего состава, за счет чего создается трехкомнонентиая система
«бетон - клеящий состав - стальная пластина».
Стальные пластины, приклеиваемые к растянутой грани железобе­
тонных элементов, увеличивают их сопротивление изгибу и повыша­
ют изгибную жесткость балок, что приводит к уменьшению прогибов.
Эффективность усиления стальными пластинами методом приклеива­
ния зависит от соблюдения трех важных условий:
• склеиваемые поверхности должны находиться в чистом, хорошо
подготовленном и ровном состоянии;
• адгезив должен обладать как минимум такой же прочностью на
растяжение и сдвиг, как и бетон (возможное разрушение конструкции
должно происходить по бетону), и быть пригодным к эксплуатации в
преобладающих для данного объекта условиях окружающей среды;
• для предотвращения хрупкого разрушения пластины и ее отсло­
ения от усиливаемой конструкции пластины должны быть тонкими и
длинными.
26
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
Для усиления используются пластины из низкоуглеродистой ста­
ли, хотя по своим свойствам она подвержена опасности коррозии. Это
обстоятельство требует дополнительного эксплуатационного ухода и
текущего ремонта конструкции.
Главную трудность при практическом использовании стальных
пластин на месте проведения работ представляет их масса и соответ­
ственно необходимость ограничения длины таких пластин, диктуемая
удобством их транспортировки и работы с ними, а также сложность
обеспечения натяжения. В целях транспортировки длину пластин необ­
ходимо ограничивать, и поэтому пластины приходится соединять
встык или сращивать. Это усложняет расчет конструкций сооружений
и технологию работ по усилению. Плоским стальным пластинам труд­
но придать такую форму, которая соответствовала бы сложным про­
филям усиливаемой конструкции. Кроме того, для обеспечения сцеп­
ления стальных пластин с железобетонной конструкцией при помощи
анкерных устройств часто требуется значительный объем работ по
точному определению местонахождения арматуры.
Другой проблемой, связанной с использованием стальных пластин,
является отсутствие уверенности в долговечности сцепления из-за воз­
можности коррозии на границе раздела стали с клеящим составом.
По принципу действия усиление стальными пластинами схоже с
усилением железобетонных конструкций композиционными материа­
лами, свойства и условия применения которых будут рассмотрены в
следующем параграфе.
1. 2 . К о м п о зи ц и о н н ы е м а те р и а л ы и их свойства
Композиционными называют материалы, состоящие из двух или
более компонентов или фаз Первыми известными композиционными
материалами были саманные кирпичи, изготовленные из армирован­
ной соломой глины. Бетон сам по себе также является одним из пер­
вых композиционных материалов, то есть материалов, состоящих из
нескольких составных частей. Композиционные материалы встреча­
ются и в природе - кости, раковины моллюсков, древесина. Последняя
состоит из естественных волокнистых композиционных материалов, в
которых спиральные волокна целлюлозы соединяются лигнином.
Развитие современных композиционных материалов было обус­
ловлено прежде всего потребностями авиации, космонавтики и кораб­
лестроения, где они нашли широкое применение. Первым современ­
ным композиционным материалом следует считать созданный в конце
30-х годов А.К. Буровым и его сотрудниками однонаправленный стек­
лопластик, состоящий из искусственных непрерывных стеклянных
волокон и искусственной полимерной матрицы [43]. В конце Великой
Отечественной войны пластины из стеклопластика использовались в
Глава
1 О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси лен и ю ...
27
самолетостроении вместо дефицитного в то время в С С С Р алюминия.
Примерно в это же время немецким ученым Фрейсине была выдвину­
та следующая идея: «. В один прекрасный день в качестве преднапрягаемой арматуры будут применяться волокна из стекла или синтети­
ческих материалов». И действительно, в течение многих десятилетий
интенсивно развивалось направление, связанное с созданием и ис­
пользованием различных композиционных материалов во многих об­
ластях науки, техники и экономики.
Помимо того, что композиционные материалы должны состоять из
двух и более компонентов, материал следует считать композиционным
в том случае, если соблюдается ряд дополнительных условий. Прежде
всего, доля каждого компонента не должна быть ниже некоторого зна­
чения, ориентировочно 5 - 10 %. Во-вторых, свойства составляющих
компонентов должны существенно различаться, и вследствие этого
свойства самих композиционных материалов должны заметно отли­
чаться от свойств исходных компонентов [43]
В начале 60-х годов прошлого века в Великобритании были разрабо­
таны углеродные волокна, а в США - борные, что послужило толчком к
развитию нового поколения композиционных материалов. Эти волокна
обладают высоким модулем упругости, высокой прочностью и жесткос­
тью, что позволило значительно расширить область их применения.
На микроуровне композиционные материалы состоят из двух
(чаще всего) или более различных компонентов. Непрерывная фаза
называется матрицей, а второй компонент - наполнителем, или арми­
рующей фазой, роль которой заключается в изменении в нужном для
практических целей направлении свойств матрицы.
Композиционные материалы могут иметь керамическую, металли­
ческую или полимерную матрицу. В зависимости от применяемой мат­
рицы механические свойства этих трех классов композиционных ма­
териалов значительно различаются. Полимерные матрицы имеют
сравнительно невысокие прочность и модуль упругости; керамические
матрицы обладают высокой прочностью и жесткостью, но являются
очень хрупкими; металлические матрицы имеют промежуточные зна­
чения прочности, модуля упругости и весьма пластичны.
Наполнитель в виде волокон или частиц обычно изготавливают из
прочных и жестких материалов (углерод, стекло, арамид, полиэтилен,
сталь, бор, карбид кремния, оксид алюминия и др.). Наполнитель в од­
ном из измерений, как правило, имеет небольшой размер — менее
500 мкм, а иногда и меньше микрона. Форма и размеры наполнителя яв­
ляются одними из основных параметров, определяющих поведение
композиционного материала под нагрузкой. Частицы наполнителя
обычно имеют приблизительно равные размеры в трех измерениях, по­
рядка 10 микрон. Распределение частиц в матрице, как правило, случай­
но. Волокна имеют длину, обычно много превышающую их диаметр,
28
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м атер и о л ам и
Рис. 1.3. Примеры композитов: а - наполненный случайно распределенны­
ми частицами; 6 - однонаправленный, короткие волокна; в - случайно ориен­
тированные короткие волокна; ? - однонаправленные непрерывные волокна
причем отношение их длины к диаметру может сильно варьироваться.
Для получения композиционных материалов применяются непрерыв­
ные или короткие волокна с небольшим отношением длины к диаметру.
Волокна в матрице могут быть случайно расположенными или иметь
преимущественное направление ориентации (рис. 1.3) Если они распо­
лагаются в матрице в одном направлении, то такой композиционный
материал называют однонаправленным. При использовании в качестве
наполнителя ткани с двунаправленным расположением волокон компо­
зиционный материал называют двуосноармированным.
В отдельный класс выделяются многослойные композиционные
материалы, подразделяющиеся на ламинаты и гибриды. Ламинаты ото композиционные материалы, состоящие из нескольких однонап­
равленных слоев, уложенных в различных направлениях в определен­
ной последовательности. Ламинат содержит обычно от 4 до 40 слоев, в
которых ориентация волокон определенным образом изменяется по
толщине пластины. Гибриды — композиционные материалы, армиро­
ванные волокнами различного типа. Сочетание волокон подбирается
таким образом, чтобы использовать преимущества каждого из них.
Например, смесь стеклянных и углеродных волокон позволяет полу­
чить относительно недорогой композиционный материал, обладаю­
щий повышенной прочностью и жесткостью, благодаря низкой сто­
имости стекловолокон и высокой жесткости углеродных волокон.
Выше уже отмечалось, что в качестве наполнителя используются
волокна или частицы прочных и жестких материалов, а не их целые
блоки. Это в первую очередь вызвано тем, что на микроуровне матери­
алы приобретают механические свойства иного порядка, чем па мак­
роуровне. Разрушение однородно нагруженного тела начинается у са­
мого крупного дефекта. Чем больше дефект, тем меньше прочность
образца. Соответственно чем меньше размер образца, тем меньше раз­
мер возможных дефектов и тем выше прочность. Поэтому прочность
Глава
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси лен и ю ...
29
мелкой частицы или тонкого волокна значительно больше, чем проч­
ность крупного образца из того же самого материала. Например, проч­
ность на растяжение углерода в волокнах составляет 3100 МПа, а в
блоке - 20 МПа (разница в 155 раз), модуль Юнга в волокнах 290 ГПа, а в блоке - 10 ГПа (отличие в 29 раз).
Композиционные материалы на основе фибры (волокон), приме­
няемые при ремонте и усилении строительных конструкций, изготав­
ливаются из собственно продолговатых микроволокон, омоноличенных в отверждающем полимере, связывающем их в единое целое. Н аи­
более распространенными типами волокон являются углеродные, арамидные и стекловолокна. В качестве отверждающего полимера чаще
всего используются эпоксидные и полиакринитриловые смолы. В за­
висимости от типа волокон (фибры), используемых для изготов­
ления композиционного материала (К М Ф ), их подразделяют на ком­
позиционные материалы на основе углеродных волокон (КМ ФУ), арамидных волокон (КМ Ф А ) и стекловолокон (К М Ф С ). В зарубежной
научно-технической литературе такие материалы получили название
FRP (fibre reinforced polymer).
Волокна в сечении изготавливаются продолговатой и сплюснутой
формы. Для усиления строительных конструкций наибольшее распро­
странение получили волокна продолговатой формы, имеющие в попе­
речнике диаметр 5 - 20 мкм.
В композиционных материалах на основе стекловолокон ис­
пользуются кварцевые стекла. Стекловолокна, предназначенные
для внешнего армирования, подразделяю тся на три типа: Е-стекловолокно, А-стекловолокно и AR-стекловолокно, имеющие высокую
сопротивляемость щелочным воздействиям. Е-стекловолокно со­
держит большое количество борной кислоты и алюмината, хорошо
работает в водных растворах и плохо сопротивляется щ елочной и
кислотной агрессии. А-стекловолокно является более прочным и
жестким, но практически не выдерживает щ елочных воздействий;
его стоимость выше по сравнению с другими стекловолокнами. В
AR-стекловолокно для предотвращ ения негативных воздействий
щелочной агрессии на контакте с усиливаемой железобетонной
конструкцией вводится значительное количество циркония. Под
действием щелочного цемента из поверхностного слоя волокон по­
степенно вымывается SiC>2 , и он обогащается подавляющим корро­
зию ZrC>2 . Прочностные и деформационные свойства этого стекло­
волокна сопоставимы с Е-стекловолокном. Достоинство всех стек­
ловолокон — их относительно небольшая стоимость.
Арамидные волокна применяются начиная с 1971 года и выпуска­
ются различными производителями под разными торговыми марка­
ми - кевлар, тварон, технора. По химической структуре арамиды ана­
логичны нейлону. Эти волокна анизотропны но своей структуре и но
30
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и о л а м и
сравнению с другими имеют более высокие прочность и модуль упру­
гости в поперечном направлении Их диаметр составляет приблизи­
тельно 12 мкм Они более пластичны при действии растягивающих
нагрузок, но при сжатии остаются упругими вплоть до разрушения.
Арамидные волокна обладают хорошей выносливостью и жесткостью,
а также низкими электро- и теплопроводностью.
Углеродные волокна находят все большее применение при созда­
нии композиционных материалов, используемых при ремонте и уси­
лении строительных конструкций. Объем их производства за послед­
ние 10 лет увеличился на порядок. Углеродные волокна изготавлива­
ются из различных исходных материалов, называемых прекурсорами.
Механические свойства волокон сильно зависят от прекурсора и усло­
вий карбонизации, т.е. от степени насыщения исходного материала
углекислым газом, так как они определяют степень дефектности обра­
зующегося кристалла. Эти факторы являю тся определяющими для
физико-механических свойств изготавливаемых углеродных волокон.
Существует три основных типа прекурсора.
Первый тип изготавтивается из очищенной нефти или угля (пеков), экструдируемых иод большим давлением через очень тонкое со­
пло (фильеру) с последующей их карбонизацией при температуре до
2000 °С. Степень графитизации изменяют последующей термообра­
боткой. В результате получают высокомодульные пековые волокна с
высокой плотностью.
Второй тин — полиакрилонитриловые волокна (ПАН-волокна),
которые изготавливаются из полиакрилонитрильного прекурсора пу­
тем его карбонизации под воздействием высокой температуры. Диа­
метр волокон при этом способе их получения меньше и составляет 5 8 мкм. Детали технологии являются коммерческой тайной, но извест­
но, что процесс имеет три стадии, а конечная структура чувствительна
к скорости нагревания [43] Структура волокон определяется степе­
нью их карбонизации и ориентацией кристаллов. Разработка высоко­
прочных волокон привела к созданию высокодеформативных 11АНволокон, у которых деформация при разрыве достигает 2 %.
Третий тип прекурсора - целлюлозные волокна. Но так как про­
цесс разложения (пиролиза) целлюлозы весьма сложен, то и объемы
производства углеродного волокна по этой технологии невелики.
Необходимо отметить, что количество углеродных волокон, произ­
водимых но различным технологиям, очень велико, к тому же посто­
янно появляются новые виды. Например, разработанные в последнее
время спиралевидные волокна способны к удлинению в несколько раз
без потери жесткости [43].
Выбор тина фибры для использования в системе усиления строи­
тельных конструкций зависит от многих факторов: типа усиливаемой
конструкции и условий ее работы; ожидаемой нагрузки после усиления;
вида и степени воздействия агрессивных внешних факторов и т. д.
Глава
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси л ен и ю ...
31
Рис. 1.4. Композиционные материалы для усиления конструкций в виде
холстов (а) и полос (б)
Роль полимера сводится к передаче действующих напряжений
между волокнами и их защите от внешних воздействий. Полимеры
для омоноличивания волокон (изготовления матрицы) могут быть
различного типа, но чаще всего применяются термоотвержденные по­
лимеры. Термореактивные полимеры - это смолы, легко образующие
химические связи при отверждении. Отверждающая матрица (поли­
мер) определяет некоторые механические свойства композиционных
материалов - прочность и модуль упругости в поперечном направле­
нии, сопротивление сдвигу и характер поведения материала при сжа­
тии. Для отверждения волокон чаще всего используются эпоксидные,
полиэфирные, полиамидные и фенольные составы. Все они обладают
хорошей сопротивляемостью различным химическим воздействиям.
Эпоксидные составы обладают лучшими механическими свойствами,
а полиамидные составы более дешевы.
Наиболее распространенными формами применяемых для уси­
ления композиционных материалов являю тся холсты различного
плетения и полосы или пластины. Холсты представляют собой гиб­
кую ткань с одно- или двунаправленны м расположением волокон.
При установке на конструкции они утапливаю тся в полимерный
клей — матрицу, обеспечивающую их плотное прилегание к усили­
ваемой конструкции. Такой способ применения композиционных
материалов называется «по месту». Полосы или пластины - это из­
готовленные в заводских условиях изделия из композиционного
материала, непосредственно приклеиваемы е на заранее подготов­
ленную поверхность усиливаемой конструкции. Внешний вид хол­
стов и полос приведен на рис. 1.4. Объемное содержание армирую ­
щих волокон в полимерной матрице колеблется от 25 - 35 % в хол­
стах до 50 - 70 % в полосах.
Помимо этого из композиционных материалов изготавливают обо­
лочки для создания обойм при усилении колонн (рис. 1.5) и цельные
каркасы для усиления обделок подземных тоннелей различного назна­
чения (рис. 1.6).
32
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций композиционны м и м о тер и ал ам и
Рис. 1.5. О болочка из композиционного материала на основе углеродных
волокон в сомкнутом (я ) и разомкнутом ( б) состоянии
Рис. 1.6. К аркас из композиционного материала для усиления тоннельной
обделки
Физико-механические свойства композиционных материалов оп­
ределяются типом и количеством применяемых волокон, их ориента­
цией и распределением в поперечном сечении ленты, а также объем­
ным соотношением волокон и отверждающего полимера в композите.
Типичные механические свойства применяемых в строительстве воло­
кон композиционных материалов приведены в табл. 1.1, а отверждаю­
щих полимеров — в табл. 1.2.
В последние годы помимо холстов и полос из композиционных ма­
териалов изготавливают гладкую и рифленую арматуру, проволоку,
канаты, пряди, каркасы, оболочки. Эти виды композиционных матери­
алов в основном используют при новом строительстве, заменяя обыч­
ную стальную арматуру в условиях предполагаемого агрессивного
воздействия внешней среды (рис. 1.7).
Важным качеством композиционных материалов, имеющим су­
щественное значение при выборе системы усиления железобетонной
конструкции, является их упругое деформирование, вплоть до разру­
шения. На рис. 1.8 приведена типичная диаграмма деформирования
Глава
33
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и у си л ен и ю ...
Таблица 1.1. Типичные свойства волокон композиционных материалов
Тип фибры
Углерод с высокой прочностью*
Углерод с высоким модулем
упругости*
Углерод с высоким модулем
упругости**
Арамид***
Стекло
Прочность на Модуль
растяжение, упругости,
ГПа
МПа
Деформация
Плотность,
удлинения.
т/м3
%
4300 - 4900
2740 - 5490
230 - 240
294 - 329
1,9 - 2,1
0,7 - 1,9
1,8
1,78 - 1,81
2600 - 4020
540 - 640
0,4 - 0,8
1,91 - 2,12
3200 - 3600
2400 - 3500
124 - 130
70 - 85
2,4
3,5 - 4,7
1,44
2,6
* На полиакринитриловой матрице.
** На матрице из эпоксидной смолы.
*** Арамид может иметь ту же прочность с меньшим модулем упругости.
Таблица 1.2. Свойства отверждающих полимеров
Физико-механические
свойства полимеров
Прочность на растяжение, МПа
Прочность при изгибе, МПа
Модуль упругости при изгибе, ГПа
Температура стеклования, °С
Ф ирма-производитель
МВТ
SBD
50
17
28
120
3
5
55 60, 80
DM L
composites
Sika
Sumitomo
81
-
30
—
3,8
53
29
—
2,5
55
__
59
Рис. 1.7. Арматурные изделия из композиционных материалов
для различных композиционных материалов и арматурной стали.
Как видно из приводимых графиков, К М Ф не обладают пластичес­
кими свойствами стали, и их разрушение носит хрупкий характер. В
силу этого при проектировании усиления железобетонных элемен­
тов композиционными материалами необходимо накладывать огра­
ничения на величину упругих деформаций бетона и стали, работаю­
щих совместно с КМ Ф .
Также необходимо иметь в виду, что упругий характер деформиро­
вания композиционного материала не способствует перераспределе­
нию напряжений в усиливаемой конструкции.
34
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
Рис. 1.8. Д иаграм ма «напряж ение - деф ормация» для различных типов
К М Ф и арматурной стали
Так как композиционные материалы на основе углеродных, арамидных и стекловолокон, как сказано выше, не обладают пластичес­
кой зоной деформирования и возможно их хрупкое разрушение, то в
последние годы проводятся экспериментальные исследования по со­
зданию композиционных материалов, в которых в качестве армирую­
щего элемента выступает новое поколение стальных волокон [44]. Та­
кие стальные волокна диаметром до 1 мм состоят из вязаных стальных
прядей диаметром менее 1 микрона, отвержденных в эпоксидном по­
лимере. В англоязычной литературе такой материал получил название
SRP (steel reinforced polymer). Из него изготавливают композицион­
ные материалы в виде тканых холстов толщиной до 5 мм. Лаборатор­
ные исследования этих материалов показали, что они обладают проч­
ностью па растяжение до 750 МПа (что почти на порядок меньше, чем
у материалов на основе углеродных волокон) и модулем упругости,
сопоставимым со сталью. Несомненными их достоинствами являются
пластичность, наличие плавной ниспадающей кривой на запредельном
участке деформирования и, самое главное, совместность их деформи­
рования с внутренней стальной арматурой, что обеспечивает более
полное использование прочностных характеристик обоих материалов.
Сравнительные экспериментальные исследования но усилению желе­
Глава
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси л ен и ю ...
35
зобетонных балок, работающих на изгиб, материалами SRP и КМФУ
показали, что они примерно одинаково увеличивают их несущую спо­
собность (в условиях эксперимента на 80 %). То, что эти материалы
при их массовом заводском производстве займут свою нишу на рынке
строительных материалов, не подлежит сомнению.
Поведение композиционных материалов под нагрузкой определя­
ется микромеханическими процессами деформирования и разруше­
ния, зависящими от диаметра волокна, его распределения в матрице и
параллельности волокон, местных дефектов материала и объемного
соотношения волокон и полимера. Физико-механические свойства
композиционного материала определяются свойствами его составля­
ющих (волокон и полимера) и их объемным соотношением в компози­
те. Модуль упругости композиционного материала Ес и его прочность
на растяжение R( определяются по формулам:
Ec = E f Vf + EmVm-
(и)
Rc =Rf Vf +RmVm,
(1.2)
где Ef, Rp Vf - соответственно модуль упругости, прочность на растя­
жение и объемное соотношение в композите волокон (арамидных, уг­
леродных или стекловолокон); Ет, Rm, Vm - то же самое для отвержда­
ющего полимера. При этом Vf + Vm = 1.
В случае предварительно изготовленных полос композиционного
материала их свойства зависят от площади поперечного сечения, при­
нимаемой при расчете. При изготовлении композиционных материа­
лов на месте (холсты, утапливаемые в клей-матрицу) конечная толщи­
на КМФ и содержание волокон по площади материала являю тся пере­
менными величинами и изменяются в широких пределах.
В силу того, что модуль упругости и прочность волокон (фибры)
намного превышают модуль упругости и прочность отверждающего
полимера, механические свойства композиционного материала опре­
деляются свойствами волокон и площадью поперечного сечения не
всего материала, а только площадью сечения одних волокон. Если
свойства композиционного материала обусловлены его площадью по­
перечного сечения, включая волокна и полимер, то по сравнению со
свойствами самих волокон модуль упругости и прочность всего мате­
риала будут меньше. Очевидно, что механические свойства компози­
ционного материала не изменятся из-за увеличения площади его по­
перечного сечения по сравнению с сечением входящих в его состав
волокон. Существует строгое соответствие между количеством воло­
кон в композиционном материале и его механическими свойствами.
Это положение отражено в табл. 1.3.
Как видно из табл. 1.3, при постоянном количестве волокна в ком­
позиционном материале (в данном случае площадь его поперечного
36
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Таблица 1.3. Зависимость физико-механических свойств композиционного
материала от процентного содержания волокон
Физико-механические свойства входящих в композиционный материал компонентов:
Е{ - 220 ГНа. Rf - 4000 MTIA, Ет = 3 ГПа, Rm - 80 МПа
Площадь поперечного
сечения, мм2
Разрушающая
нагрузка
Свойства КМ Ф
А/
Ащ
а
;
V/, %
Ес, МПа
R,, МПа
Предельная
деформация, %
кН
%
70
70
70
0
30
70
70
100
140
100
70
50
220 000
154 900
111 500
4000
2844
204 0
1,818
1,823
1,830
280,0
282,4
285,6
100
100,9
102,0
* При использовании ленты шириной 100 мм ее толщина составит 0.7 мм. 1.0 мм и 1,4 мм
сечения остается неизменной: A f = 70 мм2) разрушающая нагрузка и
предельная деформация различаются всего на несколько процентов
из-за возрастания площади поперечного сечения отверждающего по­
лимера. Это обстоятельство особенно важно учитывать при проекти­
ровании усиления композиционными материалами непосредственно
на месте производства работ («in situ»). При расчете параметров уси­
ления принимаются во внимание только площадь поперечного сече­
ния и механические свойства волокон, а не всей системы в целом.
В табл. 1.4 приводятся сравнительные характеристики углеродных
полосовых композиционных материалов, а в табл. 1.5 — характеристи­
ки холстовых материалов.
В продольном направлении достигаются высокая прочность и
жесткость композиционного материала, примерно до 65 % от величин,
приведенных в табл. 1.1. В полосах заводского изготовления подавля­
ющее количество волокон располагается в продольном направлении, а
в поперечном направлении прочность материала значительно меньше.
Выбор типа композиционного материала для усиления определя­
ется условиями эксплуатации и назначением усиливаемой конструк­
ции. Прочностные и деформационные свойства холстовых компози­
ционных материалов обуславливаются типом применяемого волокна
и его расположением в материале: одно- или двунаправленным. При
двунаправленном расположении обычно 70 % волокон находится в
направлении, в котором предполагается действие основного внешнего
усилия, и 30 % — в поперечном направлении. При этом прочность та­
кого материала в основном направлении значительно снижается. По­
мимо механических свойств композиционных материалов, непосред­
ственно необходимых для расчета несущей способности усиливаемых
конструкций, при проектировании необходимо учитывать и целый ряд
других физических свойств, оказывающих в дальнейшем влияние на
эксплуатацию отремонтированного сооружения: стойкость к химичес-
Глава
37
1 О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н ту , в о с с т а н о в л е н и ю и у с и л е н и ю
Таблица 1.4. Характеристики углеродных композиционных материалов
Прочность Мо­
дуль Толщина,
на
упру­
мм
растяжение, гости,
MI la
ГНа
2600
S&P Clever Reinforcement
150
1,2; 1,4
S&P Clever Reinforcement
2600
200
1,4
3050
165
Sika Carbodur S
1,2; 1,4
Торговая
марка
Sika Carbodur M
Sika Carbodur H
Enforce
Enforce
Tyfo C-H
DML Composites
DML Composites
Mapei Carboplate E l70
Mapei Carboplate E250
2900
1450
2200-2500
2200-2500
2281
2100
1400
3100
2500
210
300
165
210
200
140
360
170
250
Ширина,
мм
50; 80; 100
10; 50; 80; 100; 120
50; 60; 80; 90; 100;
120; 150
1,4
60; 90; 100
1,4
50
1,2; 1,4; 2,1 10; 50; 80; 90; 100. 120
1,2; 1,4; 2,1 50; 80; 90; 100; 120; 150
1,4
до 30
до 1400
до 30
до 1400
50; 100; 150
1,4
50; 100; 150
1,4
ким воздействиям и ударным нагрузкам, длительная прочность, огне­
стойкость и электропроводимость, соответствие санитарно-гигиени­
ческим требованиям и некоторые другие. Рассмотрим кратко некото­
рые из этих свойств.
Стойкость к химическим воздействиям. Углеродные и арамидные волокна хорошо сопротивляются многим химическим воздей­
ствиям. щелочам, кислотам, хлоридам, сульфатам, нитратам и др
Многие типы стекловолокон подвержены щелочной коррозии (при
pH ^ 11), но мало поддаются воздействию солеи. Арамид по сравне~
нию с другими волокнами обладает большей водопроницаемостью.
Большая концентрация солей может привести к изменению кристал­
лической решетки у всех типов волокон.
Электропроводимость. Арамидные и стекловолокна являю тся
диэлектриками и могут быть использованы для защиты линий элек­
тропередачи и инженерных коммуникаций. Углеродные волокна
проводят электрический ток, но и они могут быть использованы для
усиления строительных конструкций, имеющих косвенное отнош е­
ние к действию электрического тока (например, железнодорожные
мосты с электровозным транспортом) Они должны быть хорошо
изолированы от стальной арматуры, являю щейся проводником элек­
трического тока. Эта защита необходима только при нанесении хол­
стов на основе углеродного волокна «по месту» от токопроводящих
элементов.
Деформирование при сжатии. Испытания композиционных мате­
риалов, используемых для восстановления и усиления железобетон-
38
В н еш н ее а р м и р о в о н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атери алам и
Таблица 1.5. Характеристики холстовых композиционных материалов
Проч­
ность на Модуль
растя­ упругос­
жение, ти, ГПа
МПа
Торговая
марка
Тип
волокна
S&P С Sheet 240
S&P С Sheet 640
S&P A Sheet 120
S&P С Sheet AR
Sika Wrap Hex 230C
Sika Wrap Hex 100G
Torayca UT70-20
Углерод
Углерод
Арамид
Стекло
Углерод
Стекло
Углерод
3800
2650
2900
1700
3500
2250
4090
Torayea UT70-30
Углерод
4220
Replark
Углерод
3400
Replark
Углерод
2900
Replark
Углерод
1900
Mbrace TowSheet
Mbrace TowSheet
Mbrace TowSheet
DML Composites
Углерод
Углерод
Стекло
Углерод
3550
3000
1550
4900
DML Composites
Стекло
3400
DML Composites
Kevlar® SRS
Арамид
Арамид
2800
2100
Fosroc С 120
Fosroc С 530
Tvfo SCII-41
Россия
Углерод 2300
Углерод 2300
Углерод 3803
Углерод 1200
1400
Вес
Толщина*,
Ширина,
1 м2, г
мм
мм
200; 300 0,117; 0,176 150; 300
0.19; 0,235
300
400
0,2
300
0,135
320
350
0,13
610
230
840
1270
0.111
100; 250;
200
500; 1000
0,167
100; 250;
235
300
500; 1000
0,111; 0,167 250; 330;
230
200
500
0,165
250; 330;
390
300
500
300
250; 330;
0,143
640
500
500
300
0,11; 0,165
235
0,165
500
380
300
500
74
915
0,118
300; 500;
230 150; 300;
—
1500
900
350; 500
200; 250;
70
—
1200
115
200; 300
340
120 280; 420 0,193; 0,286 100, 300,
500
200
230
0,111
—
375
300
0,166
0,417
227,7
750
—
100— 230; 450 0,13; 0,25
140
240
640
120
65
230
70
230
* Толщина холста, рекомендуемая для проектирования
ных конструкций, показали, что прочность на сжатие меньше прочно­
сти на растяжение [45]. При продольном сжатии разрушение КМФ
может происходить от деформаций поперечного растяжения, микроизгиба волокон в поперечном направлении или от среза. Вид разруше­
ния зависит от типа волокон, их объемного количества в КМ Ф и типа
отверждающего полимера. В среднем прочность на сжатие составляет
от прочности на растяжение для КМФУ - 78 %, для К М Ф С - 55 % и
для КМ ФА - 20 %. Ввиду незначительного количества исследований
в настоящее время применять композиционные материалы в сжатой
Глав о
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и у си лен и ю ..
39
зоне конструкции не рекомендуется, так как отсутствуют гарантии
надежности работы такого усиленного железобетонного элемента.
Сопротивление ударным нагрузкам. Поведение волокон во время
приложения ударной нагрузки определяется полученной ими энерги­
ей при упругом деформировании. Волокна, сочетающие высокую
прочность на растяжение (более 3500 М Па) и значительное относи­
тельное удлинение (более 2 %), являются благоприятным материалом
для восприятия ударной нагрузки. Этим требованиям отвечают мно­
гие типы углеродных, арамидных и стекловолокон.
Температурное воздействие. Величина температурного воздей­
ствия зависит от коэффициентов линейной температурной деформа­
ции составляющих конструкцию материалов. Для бетона она состав­
ляет МО-0 " С 1. Коэффициент линейной температурной деформации
для стекловолокон близок к бетону, у полимера он примерно в 5 раз
больше, а для углеродных волокон его значение близко к нулю. Иссле­
дования показали, что температурными воздействиями можно пренеб­
речь в диапазоне температур от -2 8 °С до + 28 °С.
Воздействие огня Стекловолокна сохраняют свою прочность
вплоть до точки плавления (более 1000 °С), тогда как углеродные во­
локна окисляются на воздухе при температуре около 275 “С. Арамидные волокна не могут использоваться при температуре свыше 200 °С.
При этом из-за уменьшения сил, передающихся между волокнами от­
верждающим полимером, ухудшается работа на растяжение всего ком­
позиционного материала. Экспериментальные исследования (46) сви­
детельствуют, что при температурах порядка 250 °С, что гораздо выше
температуры стеклования полимера, прочность на растяжение КМФУ
и КМФС снижается примерно на 20 %. Все типы волокон не поддер­
живают горение. В композиционных материалах при пожаре опреде­
ляющим будет поведение отверждающего полимера, при возгорании
которого могут выделяться токсичные вещества.
Реологические свойства. Все композиционные материалы в той
или иной степени обладают ползучестью, то есть со временем их
прочность на растяжение снижается. При этом время ретардации за­
висит от неблагоприятных внешних воздействий - высокой или низ­
кой температуры, ультрафиолетового облучения, щелочного воздей­
ствия, циклов «замораживание - оттаивание». Результаты испыта­
ний (47] показали линейную величину длительной прочности от л о­
гарифма времени для любого уровня приложенной нагрузки. При
длительных испытаниях (более 500 000 ч) коэффициент длительной
прочности составил для К М Ф С - 0,3, для КМФА - 0,47 и для
КМФУ - 0,91. То есть углеродные волокна практически не подвер­
жены ползучести Длительная прочность композиционных материа­
лов при проектировании учитывается соответствующими понижаю­
щими коэффициентами.
40
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
Безопасность и санитария. Все типы волокон не представляют
опасности для здоровья в условиях нормальной эксплуатации. При
непосредственном выполнении работ по усилению отдельные части
фибры могут привести к раздражению кожи, глаз и слизистых оболо­
чек. Поэтому при выполнении работ с ними необходимо пользоваться
индивидуальными средствами защиты В некоторых статьях [48] выс­
казывалось предположение о канцерогенности углеродных волокон.
Однако Всемирной организацией здравоохранения углерод не отнесен
к канцерогенным материалам. Проведенные на животных опыты по­
казали его безопасность, а вредное воздействие углеродных волокон
на человека на порядок меньше, чем асбеста. Арамидные, углеродные
и стекловолокна являю тся инертными материалами, не содержащими
токсических веществ. Они не содержат вредных примесей, способных
загрязнять воздух или проникать в почву при их применении для уси­
ления подземных сооружений.
Система усиления конструкций композиционными материалами
состоит из двух важных составляющих — собственно композиционно­
го материала и адгезива, или клеящего состава. Успешность функцио­
нирования такой системы зависит как от надежности работы каждой
из составляющих, так и от надежности их совместной работы. Основ­
ным назначением адгезива помимо собственно приклеивания являет­
ся восприятие сдвиговых и отрывающих усилий между соединяемы­
ми поверхностями. Для приклеивания композиционного материала к
бетонной поверхности чаще всего используются эпоксидные двухком­
понентные клеящие составы, способные схватываться при положи­
тельной температуре окружающей среды. Наиболее распространенные
клеящие составы приведены в табл 1 6
В небольшом объеме применяются адгезивы и на другой основе.
Однако им присущ целый ряд недостатков, ограничивающих область
применения:
• адгезивы на основе полиэстера имеют большие усадочные де­
формации и высокий коэффициент температурного расширения. Они
подвержены щелочной агрессии и быстро затвердевают;
• адгезивы на основе виниловых полиэфиров имеют большие уса­
дочные деформации и в условиях повышенной влажности не могут
обеспечить качественного сцепления соединяемых поверхностей;
• полиуретановые адгезивы имеют те же недостатки, что и поли­
эфирные, и с трудом обеспечивают необходимое сцепление между по­
верхностями.
Выбор типа эпоксидного адгезива зависит от особенностей его
применения и определяется целым рядом факторов (температурновлажностный режим окружающей среды и склеиваемых поверхностей
и требуемая скорость твердения) Адгезивы должны выдерживать тем­
пературу до +50 °С во время эксплуатации и иметь температуру стек-
Глава
1 О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси л ен и ю ...
41
Таблица 1.6. Клеящие составы, используемые мировыми фирмами-производителями
Свойства
Прочность на растяжение, М/мм2
Прочность на изгиб, Н /м м 2
Прочность на сдвиг, Н /м м 2
Модуль изгиба, кН /м м 2
Модуль сдвига, к Н /м м 2
Температура стеклования Tg, °С
Поставщик и торговая марка
МВТ
SBD
Sika Resiplast
Exchem
Mbrace Epoxy Sikadur
Resifix 31
Epicol U
adhesive Plus
30
24
30
19
50
100
35
—
55
22
18
—
6,5
3,5
9,8
12,8
3,8
—
—
60
60
56
60,8
—
лования от +50 °С до +65 °С. В некоторых случаях, например при уси­
лении верхних элементов мостовых конструкций, находящихся под
прямым воздействием солнечных лучей, температура стеклования ад­
гезива должна быть значительно выше. В этих условиях применяются
специальные клеящие составы. Одно из требований к адгезивам, осо­
бенно применяемым для усиления конструкций, расположенных в
замкнутом пространстве (тоннели), в котором возникновение пожара
является особо значимым фактором, — не допускать значительного
выделения токсичных веществ при возгорании.
Большинство применяемых адгезивов используется для соедине­
ния сухих поверхностей. Для склеивания влажных поверхностей и для
соединения конструкций, находящихся в воде, разработаны специаль­
ные клеящие составы, как правило, на эпоксидной основе.
При использовании для выравнивания поверхности бетона перед
усилением специального праймерного состава его ф изико-механи­
ческие свойства должны быть, с одной стороны, совместимы со свой­
ствами старого бетона, а с другой стороны — со свойствами применя­
емого адгезива. Только учет этого обстоятельства при выборе систе­
мы усиления позволит обеспечить эффективную совместную работу
усиливаемой строительной конструкции с усиливающим компози­
ционным материалом. Для достижения требуемого по качеству сцеп­
ления композиционного материала с поверхностью бетона немало­
важными факторами должны быть температурно-влажностные усло­
вия в месте проведения работ и качество подготовки поверхности
усиливаемой конструкции. Загрязненная, а тем более неровная по­
верхность не сможет обеспечить необходимого по качеству сцепле­
ния с композиционным материалом.
В процессе твердения в. адгезиве происходят химические процес­
сы, резко замедляющиеся при температуре менее +10 °С. Поэтому в
большинстве случаев во время производства работ по усилению окру­
жающая температура должна быть свыше +10 °С
42
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Однако имеется опыт применения композиционных материалов
и в условиях более низких температур окружающей среды, в том чис­
ле и в зимнее время. Д ля этого используются различные системы
повышения температуры в адгезиве между поверхностями усиливае­
мого бетонного элемента и композиционного материала: нагревание
с помощью электрического тока; применение системы инфракрасно­
го нагревания или утепляющих покрытий. Пример такой системы
при использовании композиционного материала на основе углерод­
ных волокон приведен на рис. 1.9. Эта система основывается на хо­
рошей электропроводимости углеродных волокон. При пропускании
электрического тока через полосу композиционного материала во
время приклеивания полоса нагревается до нужной температуры и
передает тепло адгезиву. Специальные температурные датчики по­
зволяют контролировать процесс нагревания. Быстрое контролируе­
мое нагревание полосы КМ ФУ (температура в 70 °С может быть до­
стигнута за 3 ч) позволяет не только сократить время выполнения
работ по усилению, но и увеличить температуру стеклования адгези­
ва. Электрический ток можно подавать не только на полосу компо­
зиционного материала, но и на специальные обогревающие сетки,
изготавливаемые из обычной арматурной стали и устанавливаемые
на расстоянии 2,0 - 2,5 см в свету от торцовой поверхности конст­
рукции, предназначенной для ремонта и усиления.
Имеются клеевые составы, предназначенные для использования
при отрицательных температурах. Подробно технология их изготовле­
ния и рекомендуемые составы приводятся в параграфе 6.2.
В последние годы получила развитие технология присоединения по­
лосы композиционного материала к бетонной поверхности механическим
путем с использованием большого количества специальных зажимов в
комбинации с анкерными болтами на концах ленты (рис. 1.10) [49J. За­
жимы равномерно распределяются но длине полосы. Эта система усиле­
ния имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной технологией
приклеивания: отпадает необходимость в столь тщательной подготовке
бетонной поверхности; работы по усилению можно вести при отрица­
тельной температуре окружающей среды, снижаются требования к ква­
лификации рабочих и появляется возможность избежать такой формы
разрушения усиленной конструкции, как отслоение полосы композици­
онного материала от бетона, особенно на концевых участках.
Анализируя свойства композиционных материалов, можно сде­
лать следующие основные выводы:
• композиционные материалы обладают высокими прочностью на
растяжение и модулем упругости, сопоставимыми или даже превосхо­
дящими аналогичные показатели стали;
• плотность у них в 3 - 5 раз меньше, чем у стали;
• из-за своей малой плотности практически не увеличивают массу
Глава
1. О с н о в н ы е п о л о ж е н и я п о р е м о н т у , в о с с т а н о в л е н и ю и уси лен и ю ...
43
J Бетон I:
Рис. 1.9. Система нагрева адгезива при установке композиционного мате­
риала в холодное время года
Рис. 1.10. Механическое присоединение композиционного материала к бе­
тонной поверхности
усиливаемой конструкции, а следовательно, и постоянную нагрузку от
собственного веса;
• не подвержены агрессивному воздействию внешней среды, в том
числе коррозии;
• обладают хорошей выносливостью и способностью восприни­
мать многократно повторяющиеся нагрузки;
44
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
• в сочетании с усиливаемой конструкцией хорошо воспринима­
ют сейсмические воздействия, а также ударные и взрывные нагрузки;
• могут повторять практически любые формы усиливаемой кон­
струкции;
• не требуют громоздких приспособлений для их монтажа, трудо­
емкость их установки минимальна;
• во многих случаях позволяют производить работы но ремонту и
усилению строительных конструкций с минимальными перерывами в
эксплуатации сооружения;
• легко грузятся, транспортируются и доставляются непосред­
ственно к месту установки;
• могут быть предварительно напряжены в процессе установки на
усиливаемую конструкцию.
В связи с этим данные материалы нашли широкое применение для
восстановления несущей способности и усиления строительных кон­
струкций различных инженерных сооружений - промышленных и
гражданских зданий, мостов, труб, бункеров, причальных сооружений,
тоннелей различного назначения, городских подземных сооружений,
используются при реставрации памятников архитектуры.
Учитывая все эти факторы, можно сказать, что усиление строи­
тельных конструкций композиционными материалами является менее
трудоемким и энергозатратным процессом по сравнению со всеми дру­
гими аналогичными способами усиления. Это обстоятельство имеет
немаловажное значение при ремонте и усилении многих конструкций,
например мостовых на автодорожных и железнодорожных магистра­
лях, когда их отказ (временное прекращение эксплуатации) во время
проведения ремонтных работ приводит к значительным финансовым
потерям. Всем этим можно объяснить расширяющийся объем приме­
нения усиления строительных конструкций композиционными мате­
риалами в мире (например, в Австрии, Бельгии, Великобритании, Гер­
мании, Канаде, Польше, США, Франции, Чехии, Японии и др.). В
Ш вейцарии они применяются уже в более чем 80 % случаев усиления
всех железобетонных строительных конструкций.
Г л а в а 2.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕМ О Н ТА
И УСИ ЛЕНИ Я Ж ЕЛЕЗО БЕТО НН Ы Х
К О Н С ТР УК Ц И Й
2.1. Основны е полож ения проектирования
Проектирование всех строительных конструкций, как и машин, ме­
ханизмов и других технических систем, связано в первую очередь с
обеспечением их надежности [50, 51], определяемой нормативными до­
кументами как способность сохранять заданные эксплуатационные ка­
чества в течение определенного срока службы. Строительные конструк­
ции следует рассчитывать по методу предельных состояний, основные
положения которого должны быть направлены на обеспечение без­
отказной работы конструкций с учетом изменчивости свойств материа­
лов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик конструк­
ций, условий их работы, а также степени ответственности проектируе­
мых (ремонтируемых) объектов, определяемой материальным и соци­
альным ущербом при нарушении их работоспособности [50].
Вместе с тем ведущей концепцией, на основе которой должна ре­
шаться задача повышения надежности строительных конструкций на
современном этапе их развития, является системность.
Системы обеспечения надежности, составляя важнейшую часть
системы обеспечения качества, охватывают весь жизненный цикл лю ­
бого инженерного сооружения — от получения исходных данных для
проектирования, разработки соответствующих методик проектирова­
ния, собственно проектирования сооружения и отдельных его частей,
строительства и эксплуатации. Однако накопление статистических
данных об отказах различных инженерных сооружений показало, что
отказы происходят как в период назначенного срока службы, так и за
его пределами.
Использование системного подхода необходимо для успешной
разработки технологии и выбора материала для ремонта и усиления
строительной конструкции. Вне зависимости от выбранных техноло­
гии и материала усиления одним из основных требований, предъявля­
емых к многокомпонентной системе, является ее способность функци­
онировать как одно целое в течение заданного промежутка времени.
Этого можно добиться только в случае обеспечения достаточного и
долговременного сцепления между находящимся в эксплуатации бе­
тоном, ремонтным составом и внешней арматурой усиления из компо­
46
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
зиционного материала. Получаемая составная конструкция должна
функционировать как единое целое.
Примером такого системного подхода к диагностике, проектирова­
нию ремонта и усиления строительных конструкций, выполнению ра­
бот по ремонту и усилению, а также последующему мониторингу за
фактическим состоянием строительной конструкции в период эксплу­
атации может служить блок-схема, приведенная на рис. 2.1.
Ключевым пунктом блок-схемы является принятие решения об уси­
лении конструкции на основании детального инженерного анализа ее
текущего эксплуатационного состояния. На этом этапе инженеру-ироектировщику необходимо ответить на следующие основные вопросы:
• Действительно ли произошло значительное снижение несущей
способности конструкции вследствие коррозии арматуры и деструкции
бетона?
• Предполагается ли существенное увеличение нагрузки на суще­
ствующую строительную конструкцию?
• Каков возраст строительной конструкции и имеет ли она исто­
рическую ценность?
• Каков остаточный срок службы конструкции и предполагается
ли его увеличение после ремонта и усиления?
• Какие будут затраты па ремонт и усиление конструкции по срав­
нению с ее полной заменой в изменяющихся условиях эксплуатации?
• Возможно ли применение других технических решений по обес­
печению эксплуатационной надежности строительной конструкции?
Одними из основных факторов, влияющих на принятие решения
об усилении, являются причины и степень коррозионного поврежде­
ния материала конструкции, выявленные в процессе ее обследования
и диагностики, распределение этих повреждений по объему конструк­
ции и разработка первоочередных мер по защите и лечению элементов
строительной конструкции с целью последующего проведения работ
но ее усилению. Все решения но ремонту и усилению конструкций в
каждом конкретном случае индивидуальны и имеют свою специфику.
Бесспорно, базой для проектирования и выполнения работ но ре­
монту, восстановлению и усилению железобетонных конструкций
должна являться система нормативных документов в этой области,
которая в последние годы активно разрабатывается в странах ЕЭС.
Итогом многолетних работ стали рекомендации RILEM 124-SRC
и стандарты ENV 1504, части 1-10 «Материалов и систем для защиты
и ремонта бетонных конструкций», которые, к сожалению, еще полно­
стью не приняты. Эти нормативы дают подход к выбору материалов,
методов и технологий для выполнения ремонтных работ. К некоторым
методам относятся: восстановление защитного слоя бетона; пропитка
конструкции; введение ингибиторов коррозии; нанесение различных
покрытий; замещение обычной стали в бетоне на нержавеющую или
Глово
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и уси л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
47
Рис. 2.1. Блок-схема комплекса работ но усилению (восстановлению ) стро­
ительных конструкций композиционными материалами
композиционные материалы; торкретирование конструкций; примене­
ние электрохимических методов защиты; катодная защита железобе­
тона; обеспечение долговечности эксплуатационных качеств.
48
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Материалами и системами материалов для защиты и ремонта кон­
струкций могут быть: покрытия; ремонтные строительные растворы;
инъекционные составы и их композиции. Сегодня существуют различ­
ные принципы и методы использования этих материалов и техничес­
ких решений при ремонте железобетона.
В основе выбора материалов и систем — 11 принципов защиты и
ремонта. Они основаны на химических и физических законах которые
позволяют предотвращать или стабилизировать химические или фи­
зические процессы разрушения бетона или электрохимические про­
цессы коррозии арматуры. Эти 11 принципов и связанные с ними ме­
тоды защиты и ремонта, отраженные в проекте Европейского стандар­
та рг EN 1504, в обобщенной форме представлены в табл. 2.1
Как видно из табл. 2 1, в состав ремонтных работ включены восста­
новление или увеличение несущей способности железобетонных кон­
струкций с помощью композиционных материалов (принцип 4). В
табл. 2.2, взятой из проекта стандарта pr EN 1504 (часть 4), приводят­
ся соответствующие этому принципу эксплуатационные характерис­
тики конструкционных материалов по каждому из методов ремонта «Арматура из приклеиваемых пластин» и «Обладающий сцеплением
строительный раствор или бетон».
Как видно из табл. 2 2, некоторые важные характеристики матери­
алов или вообще не учтены (толщина клеевого состава при приклеи­
вании пластин и холстов композиционного материала, прочность ад­
гезива или строительного раствора на растяжение, циклическое воз­
действие внешней нагрузки), или учтены не в полной мере (темпера­
тура стеклования, циклическое изменение температуры и т.д.).
Для контроля качества материалов вводится понятие «идентифи­
кационное испытание», которое осуществляется с целью проверки
требуемого свойства материала или системы с точки зрения стабиль­
ности производства. Требования обычно формулируются в рамках со­
ответствия данного свойства определенному процентному содержа­
нию заявленной величины, которое обеспечивается фирмой-производителем. Согласно техническим условиям, проводится эксплуатаци­
онное испытание, позволяющее непосредственно проверить требуемое
свойство материала или системы в целом, которое будет контролиро­
ваться в процессе нанесения и использования, Применительно к сис­
темам ремонта и усиления конструкций композиционными материа­
лами перечень необходимых идентификационных испытаний и стан­
дарты их проведения изложены в главе 6.
При проектировании усиливаемых конструкций следует, как пра­
вило, предусматривать, чтобы нагрузка во время усиления не превы­
шала 65 % расчетной величины. При сложности или невозможности
достижения требуемой степени разгрузки допускается выполнять уси­
ление под большей нагрузкой. В этом случае расчетные характеристи-
Главе
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и уси л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
49
Таблица 2.1. Принципы и методы защиты и ремонта при дефектах в бетоне и
коррозии арматуры
Принцип и его
аббревиатура
Методы защиты и ремонта
Воздействие
1. Защита
от проник­
новения
агрессивных
веществ Р1
1.1. Пропитка бетона
Снижение или
1.2. Покрытие поверхности, обладающее /
предотвращение
не обладающее способностью перекрывать
проникновения
трещины
оказывающих
вредное воздействие 1.3. Локальный бандаж трещин
1.4. Заполнение трещин
веществ
1.5. Обустройство трещин в швах
1.6. Возведение наружных гидроизоляци­
онных экранов
1.7. Нанесение гидроизоляционных
мембран
2. Регулиро­
вание
влажности
МС
Регулирование
и сохранение
содержания влаги
в бетоне в пределах
определенного
диапазона значений
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
3. Восста­
новление
бетона CR
Восстановление
исходной формы и
функции бетона,
изначально состав­
лявшего элемент
конструкции или
сооружения
3.1. Укладка раствора вручную
3.2. Подливка бетона
3.3. Нанесение бетона или раствора
способом набрызга
3.4. Замена элементов
Гидрофобная пропитка
Покрытие поверхности
Укрывание поверхности
Электрохимическая обработка
4. Упрочне­ Повышение или
ние конст­ восстановление
рукций SS несущей способнос­
ти элемента бетон­
ной конструкции
или сооружения
4.1. Добавление (замена) внутренних
(внешних) арматурных стержней
4.2. Установка химически закрепляемых
стержней в отверстия, пробуренные
в конструкции
4.3. Приклеивание стальных
и углепластиковых пластин
4.4. Добавление конструктивного бетона
(раствора)
4.5. Инъектирование в трещины и пустоты
4.6. Заполнение трещин и пустот
4.7. Преднапряжение
(натяжение арматуры на бетон)
5. Физи­
ческая
стойкость
PS
5.1. Нанесение различных покрытий
5.2. Пропитка бетона
5.3. Использование упрочненного
верхнего слоя
Повышение стойкос­
ти к физическому
или механическому
воздействию
См. продолжение
50
Вн еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атери алам и
Продолжение табл. 2.1
6. Стойкость
к воздействию
химических
веществ
RS
Повышение стойкое
ти бетонной поверхности к разрушениям, вызванным
химическим
воздействием
6.1. Нанесение различных покрытий
6.2. Пропитка бетона
6.3. Использование упрочненного
верхнего слоя
7. Сохране­
ние или
восстанов­
ление
пассивного
состояния
металла Р1
Создание условий,
при которых
обеспечивается
поддержание
пассивного состоя­
ния поверхности
металла в бетоне
или се возвращение
к такому состоянию
7.1. Увеличение толщины защитного слоя
путем укладки дополнительного
количества бетона/раствора
7.2. Замена загрязненного хлоридами
или карбонизированного бетона
7.3. Восстановление щелочности
карбонизированного бетона
электрохимическим способом
7.4. Восстановление щелочности
карбонизированного бетона
диффузионным способом
7.5. Удаление хлоридов из бетона
электрохимическим способом
7.6. Ограничение содержания влаги
за счет нанесения покрытий или пропитки
8. Повыше­
ние элект­
рического
удельного
сопротивле­
ния JR
Повышеиие
электрического
удельного
сопротивления
бетона
8.1. Уменьшение влаги с помощью
нанесения покрытий
8.2. Уменьшение влаги с помощью
устройства облицовки
9. Катодный Создание условий,
9.1. Снижение доступа кислорода путем
пропитки или нанесения поверхностного
контроль
при которых нотенпокрытия
СС
циально катодные
участки арматуры
не смогут иницииро­
вать анодную
реакцию
10. Катодпая защита
СР
—
10.1. Применение соответствующего
электрического потенциала
11. Контроль
анодных
участков
СА
Создание условий,
при которых потенциально анодные
участки арматуры не
смогут принимать
участие в коррози­
онной реакции
11.1. Нанесение на арматуру
цинкосодержащих покрытий
11.2. Нанесение на арматуру
изоляционных покрытий барьерною типа
11.3. Нанесение на бетон ингибиторов
коррозии, которые пенетрируют
к арматурному каркасу
Гл о в о
2 П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и уси л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
51
ки композиционных материалов усиления умножаются на коэффици­
ент условий работы у = 0,9. В любом случае степень разгрузки конст­
рукций следует выбирать из условия обеспечения безопасного веде­
ния работ по ремонту и усилению
При проектировании усиливаемых железобетонных конструкций
обязательным требованием является обеспечение вклю чения в рабо­
ту элементов усиления и их совместное деформирование с усиливае­
мой конструкцией. Д ля сильно поврежденных конструкций (при
разрушении 50 % и более сечения бетона или 50 % и более площади
сечения рабочей арматуры) элементы усиления следует рассчиты­
вать на полную нагрузку, при этом усиливаемая конструкция в рас­
чете не учитывается.
Хотя площадь поперечного сечения композиционных материалов
невелика (обычно не более 140 мм ), при проектировании усиления по
возможности не следует допускать переармирования сечения - долж ­
но соблюдаться условие £ <
При добавлении к растянутой зоне се­
чения приклеенного композиционного материала разрушение усили­
ваемого железобетонного элемента может произойти в арматуре рас­
тянутой зоны; в бетоне сжатой зоны сечения; при преждевременном
отслоении композита и при хрупком разрушении самого композици­
онного материала. С точки зрения меньшей аварийности создавшейся
ситуации более предпочтительно именно хрупкое разрушение КМФУ.
Если усиливаемая конструкция относится к 1-й или 2-й категории
по трещиностойкости, когда или не допускается раскрытие трещин,
или допускается ограниченное по ширине непродолжительное рас­
крытие трещин при условии их последующего надежного закрытия, то
расчет по второй группе предельных состояний может быть определя­
ющим по выбору типа и количества композиционного материала, ко­
торый будет необходим для надежного усиления конструкции
Во всех случаях проектирования ремонта и усиления железобетон­
ных конструкций необходимо соблюдать методические рекомендации
по расчету их огнестойкости и огнесохранности [52].
Опыт длительной эксплуатации строительных конструкций, уси­
ленных КМ Ф пока невелик (чуть более 30 лет), что также необходи­
мо учитывать при проектировании усиления конструкций с длитель­
ным сроком службы. Вместе с тем конструкции, усиленные стальны­
ми пластинами, в том числе в подводных условиях, успешно эксплуа­
тируются уже более 40 лет. Это, несомненно, говорит о долговечности
как самих материалов, так и клеящих составов, с помощью которых
они присоединяются к усиливаемой конструкции В идеале срок служ­
бы системы усиления (композиционный материал + клеящий состав)
должен равняться остаточному сроку службы усиливаемого здания
или сооружения. В настоящее время можно с уверенностью сказать,
что при усилении инженерных сооружений с остаточным сроком
52
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и а л а м и
Таблица 2.2. Эксплуатационные характеристики, обеспечивающие сцепление
конструкционных материалов
Принцип ремонта
Упрочнение конструкций
Основные эксплуатационные
характеристики
Метод ремонта
Обладающий
Арматура из
сцеплением
приклеиваемых строительный
пластин
раствор или бетон
1. Пригодность для нанесения:
на вертикальные поверхности и нижние
поверхности
на верхние горизонтальные поверхности
методом инъецирования
2. Пригодность для нанесения и выдерживания
при следующих особых условиях внешней среды:
низкая или высокая температура
влажный субстрат
3. Адгезия:
пластины с пластиной
пластины с бетоном
защищенной от коррозии стальной
арматуры с защищенной от коррозии
стальной арматурой
защищенной от коррозии стальной
арматуры с бетоном
затвердевшего бетона с затвердевшим
бетоном
свежеуложенного бетона с затвердевшим
бетоном
4. Долговечность композиционной системы
при циклическом изменении:
температуры
влажности
5. Характеристики материала для производства
работ
время между смешиванием компонентов
и моментом, когда технологические свойства
материала ухудшаются
жизнеспособность
модуль упругости при сжатии
модуль упругости при изгибе
прочность при сжатии
прочность при изгибе
температура стеклования
коэффициент температурного расширения
усадка
□
□
□
□
□
□
□
□
■
■
■
□
□
■
■
■
■
■
■
■
■
■
■
□
■
■
□
■
■
■
■
■
■
■
■
■
Примечание. Характеристика материала, которую следует учитывать при всех предпола­
гаемых видах использования (□ ); при некоторых предполагаемых видах использования (■).
Глава
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и уси л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
53
службы 30 - 40 лет композиционные материалы обеспечат требуемую
долговечность конструкции.
Открытым остается вопрос о долговременном мониторинге эксплу­
атационной надежности инженерных сооружений, усиленных компози­
ционными материалами, с длительным сроком службы - мостов, транс­
портных тоннелей, атомных станций. В этом случае последующий мо­
ниторинг эксплуатационного состояния усиленной КМ Ф строительной
конструкции в течение всего срока службы является неотъемлемой со­
ставной частью системы усиления. Проведение периодических осмот­
ров и оценка эксплуатационного состояния и содержания мостовых
конструкций давно являются обязательными [53, 54]. В зарубежной
практике системы непрерывного мониторинга за усиленными КМ Ф
мостовыми конструкциями внедрены на сооружениях (например, мос­
ты «Барнс» в Манчестере, «Джон Харт» в Британской Колумбии и др.).
В настоящее время в Швейцарии разработана и с успехом начала при­
меняться система контроля, обеспечивающая непрерывный мониторинг
конструкций, усиленных композиционными материалами. О необходи­
мости мониторинга за эксплуатационным состоянием других инженер­
ных сооружений в последние годы говорят многие отечественные и за­
рубежные ученые и специалисты [55 — 59].
Относительным недостатком используемых в настоящее время
композиционных материалов является их более высокая стоимость по
сравнению с теми же стальными пластинами, но этот недостаток ниве­
лируется с расширением рынка КМ Ф. Если же принять во внимание
весь комплекс проведения работ по усилению и учесть стоимость
дальнейшей эксплуатации конструкции, то во многих случаях уже
сейчас использование для усиления строительных конструкций КМ Ф
с экономической точки зрения выглядит более предпочтительным.
Факторы, влияющие на стоимость работ по усилению строитель­
ных конструкций как с применением композиционных материалов,
так и другими способами, очень разнообразны. И если прямые инвес­
тиционные затраты можно определить достаточно точно, то дальней­
шие эксплуатационные расходы можно оценить весьма приблизитель­
но. Особенно сложно подсчитать ущерб, вызванный временным пре­
кращением эксплуатации инженерного сооружения во время его ре­
монта и усиления. По данным Английской железнодорожной ассоциа­
ции, усиление мостовых конструкций композиционными материала­
ми дешевле усиления стальными пластинами на 30 %. О примерно та­
ком же удешевлении общей стоимости работ по усилению с использо­
ванием КМ Ф свидетельствуют и другие зарубежные источники [60,
61]. При составлении сметы на усиление строительных конструкций
необходимо также учитывать высокую производительность выполне­
ния работ с использованием композиционных материалов. Так, в Япо­
нии усиление трубы высотой 100 м композиционными материалами
54
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж ел езоб ето н н ы х конструкций композиционны м и м ате р и а л а м и
(охватывающее усиление холстами с углеродными волокнами) было
выполнено в течение одного месяца. Применение для этих целей
стальных полос потребовало бы примерно около полугода.
При учете стоимости ремонтных работ и работ по усилению необ­
ходимо учитывать количество и стоимость будущих ремонтов в тече­
ние всего предполагаемого оставшегося срока эксплуатации здания
или сооружения, а также капиталовложения в альтернативные спосо­
бы ремонта и усиления, включая будущие эксплуатационные затраты
и расходы, связанные с возможным отказом сооружения.
Использование различных систем внешнего усиления, возможных
к применению, зависит от многих факторов: состояния и стадии рабо­
ты усиливаемой конструкции, типа К М Ф и адгезива, метода нанесе­
ния материала, условий проведения работ, пожароопасности здания
или сооружения, качества выполнения ремонта и применяемых ре­
монтных составов, подготовки поверхности усиливаемой конструк­
ции, квалификации персонала и многих других факторов. Все это дол­
жно учитываться проектировщиком при разработке проекта ремонта
и усиления железобетонной конструкции. Обязательным условием
успешного выполнения работ является использование апробирован­
ных системных материалов.
2 .2 . Р е к о м е н д у е м а я степень усиления конструкций
При внешнем усилении железобетонных конструкций композици­
онными материалами можно выделить два случая, различающихся как
по условиям дальнейшей эксплуатации конструкции после приклеи­
вания полос композиционного материала, так и по принципам проек­
тирования и технологии ведения работ.
В первом случае возникает ситуация, соответствующая условиям,
когда композиционный материал служит для усиления строительной
конструкции, то есть по условиям эксплуатации предполагается увели­
чение нагрузки на сооружение в целом или отдельные его элементы, и,
следовательно, необходимо увеличить несущую способность сечения
железобетонной конструкции. В этом случае, как правило, сама конст­
рукция находится в хорошем эксплуатационном состоянии и требует
минимальных затрат для проведения косметического ремонта ее поверх­
ности, к которой будет приклеиваться композиционный материал.
Вторая ситуация соответствует условиям, когда композиционный
материал применяется с целью восстановления несущей способности
конструкции. В этом случае в процессе эксплуатации железобетонной
конструкции из-за неблагоприятного воздействия на нее окружающей
среды произошли коррозия арматуры и деструкция бетона, что приве­
ло к снижению первоначальной проектной несущей способности кон­
струкции. Необходимо отметить, что речь идет о железобетонных кон­
Глава
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и у с и л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
55
струкциях, которые еще можно отремонтировать и восстановить их
несущую способность, а не о конструкциях, подлежащих замене.
Одним из наиболее важных вопросов, которые приходится решать
при проектировании усиления железобетонных конструкций компо­
зиционными материалами, является допустимая степень усиления, то
есть насколько можно увеличить несущую способность существующе­
го элемента без ущерба дальнейшей безопасной эксплуатации усилен­
ной конструкции.
С одной стороны, в силу сравнительно небольшого опыта долго­
временной эксплуатации строительных конструкций, усиленных
КМФ, минимализация риска проектных решений достигается исполь­
зованием увеличенных коэффициентов надежности по применяемым
материалам усиления и условиям их работы.
С другой стороны, вполне логичным выглядит требование того,
что даже при возможном разрушении композиционного материала
усиления строительная конструкция какое-то время должна сохра­
нять свои эксплуатационные качества во избежание возникновения
аварийных ситуаций. Исходя из этого, многие зарубежные исследова­
тели рекомендуют не более чем двукратное увеличение несущей спо­
собности конструкции при ее усилении при изгибе.
В принципе разрушение композиционного материала возможно:
• при силовых воздействиях от статических нагрузок;
• при силовых воздействиях от динамических нагрузок;
• при внешних воздействиях (огонь при пожаре, агрессивная внеш­
няя среда, акты вандализма и т.д.).
При назначении степени усиления наиболее существенным факто­
ром следует признать возможное воздействие огня, так как, во-первых,
применяемые клеящие составы на основе эпоксида имеют небольшую
температуру стеклования и быстро разрушаются при действии высо­
ких температур, а во-вторых, требования пожарной безопасности яв­
ляются одними из основных для обеспечения надежности эксплуата­
ции железобетонных конструкций, особенно в аварийных ситуациях.
Рекомендациями по проектированию усиления железобетонных
конструкций композиционными материалами, принятыми Американс­
ким институтом бетона (СШ А) [62], предусмотрен следующий подход
к ограничению уровня усиления: конструкция с пониженными в про­
цессе эксплуатации значениями прочности арматурной стали и бетона
и без учета композиционного материала не должна разрушаться от воз­
действия высоких температур при действии эксплуатационных нагру­
зок. Естественно, время сопротивления железобетонной конструкции
огневому воздействию определяется нормами противопожарной безо­
пасности. Исходя из этого, даже в случае разрушения композиционного
материала конструкция будет способна воспринимать определенный
уровень нагрузок в течение какого-то промежутка времени.
56
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м а тер и ал ам и
Правилами проектирования усиления, принятыми ACI, устанав­
ливается следующее ограничение степени усиления:
(Rs)ck> (1,2? + 0,85р)и,
(2.1)
где ( R s)ck ~ фактическая несущая способность подлежащей усилению
железобетонной конструкции до начала работ по усилению; (q ) и (р) с
индексом «и» — постоянная и временная эксплуатационные (норма­
тивные) нагрузки от новых воздействий, то есть тех воздействий, на
которые будет проектироваться усиленная конструкция. При этом
усиленная конструкция должна иметь несущую способность:
(Rx)nk> (1,4? + t,7p)n.
(2.2)
Как видно из приведенных выражений, при определении степени
усиления дробная часть коэффициента надежности по нагрузке для
постоянной нагрузки уменьшается в два раза (1,4 и 1,2), и в два раза
снижается вся величина временной нагрузки (1,7 и 0,85).
Учитывая, что для большинства наземных конструкций из железобе­
тона уfq = 1,1, а для равномерно распределенной временной нагрузки свы­
ше 2,0 кПа уfp = 1,2, выражения для предельно допустимых новых значе­
ний эксплуатационных постоянных и временных нагрузок в зависимости
от их значений до усиления qc^ и р с^ можно записать следующим образом:
Рп = 2Pck + 0 ,0 8 ^ ;
q„ = 1 ,0 5 ^ + 0,57p ck.
(2.3)
(2.4)
Исходя из заданных нормами коэффициентов надежности по на­
грузкам, максимальная степень усиления возможна при увеличении
временной нагрузки - ее можно увеличить более чем в два раза. Ми­
нимальная степень усиления - увеличение постоянной нагрузки при
отсутствии временной (не более чем на 5 %). Во всех остальных случа­
ях степень усиления зависит от соотношения постоянной и временной
нагрузок до усиления конструкции.
Еще одним важным моментом при назначении степени усиления
является то обстоятельство, что на новую, повышенную нагрузку не­
обходимо проверять не только усиливаемые
конструкции,нои все
сооружение вцелом. Например, при усилении балки на новую нагруз­
ку необходимо проверять и колонны, на которые она опирается, и
фундаменты, и основания. Возможно, при новой нагрузке они также
будут нуждаться в усилении.
При восстановлении первоначальной несущей способности ремон­
тируемых конструкций композиционными материалами необходимо
ориентироваться на тот факт, что, несмотря на произошедшее сниже­
ние несущей способности, конструкция продолжает оставаться рабо­
тоспособной, пусть и с меньшей степенью надежности. По крайней
мере она еще до установки К М Ф воспринимает постоянные нагрузки
от собственного веса. В этом случае даже при возникновении пожара
Глава
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и у с и л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
57
и разрушении композиционного материала конструкция вернется к
своему состоянию до проведения ремонтных и восстановительных ра­
бот и сможет какое-то время сохранять работоспособное состояние.
2.3. Н орм ативны е и расчетны е характери сти ки
композиционных м а те р и а л о в
При расчете параметров ремонта и усиления железобетонных кон­
струкций важную роль играют нормативные и расчетные сопротивле­
ния составляющих конструкцию элементов - бетона, стальной армату­
ры и композиционного материала усиления. И если по бетону и армату­
ре существуют четкие указания в нормативной литературе [2, 3J, то дан­
ные по композиционным материалам хотя и немного, но различаются.
Нормативные и расчетные сопротивления бетона и арматуры уси­
ливаемых железобетонных конструкций следует назначать в соответ­
ствии с указаниями раздела 5 СП 52-101-2003.
Так как композиционные материалы (полосы и холсты) являются
упругими материалами с высокой прочностью на растяжение и без вы­
раженной пластической зоны, то многие фирмы-производители в сво­
ей документации указывают предельно допустимые ес/ и рекомендуе­
мые к применению при проектировании гср деформации материала.
Кроме того, в обязательном порядке фирмами предоставляются следу­
ющие характеристики композиционных материалов, необходимые для
проектирования и расчета усиливаемых конструкций: Rcf - сопротив­
ление композиционного материала растяжению, МПа; Ecj — модуль
упругости композиционного материала, М Па или ГПа; tc - толщина
композиционного материала (для холстов - расчетная), мм; Ьс - ши­
рина полосы или ленты композиционного материала, мм; ус - плот­
ность композиционного материала, г/см 3; уср - вес единицы площади
холстового КМ или вес только волокон, г /м 2.
Помимо этого фирмы-производители обычно дают рекомендации
по условиям применения поставляемых ими композиционных матери­
алов и свои предложения по назначению коэффициентов надежности
по материалу.
В отличие от бетона и арматурной стали нельзя однозначно опре­
делить нормативные и расчетные характеристики используемых для
внешнего усиления конструкций композиционных материалов. Они
зависят от целого ряда факторов, основными из которых являю тся
условия эксплуатации и жесткость применяемого композиционного
материала, определяющая сцепление между ним и бетоном.
Исходными данными для определения нормативных и расчетных
значений силовых и деформационных характеристик композицион­
ных материалов являю тся сертифицированные значения этих харак­
теристик, предоставляемые фирмами-производителями.
58
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Нормативные значения сопротивления растяжению композицион­
ных материалов Rт и деформации ес„ можно определить по следую
щим зависимостям:
(2.5)
R en
R e f YdYc2Yc3>
&сп — £ с / YclYc2Yc3>
( 2.6)
где Yd - коэффициент, учитывающий сцепление между композицион­
ным материалом и бетоном. Он накладывает ограничения на уровень
нормальных деформаций, развивающихся в КМ Ф. При определенном
уровне деформаций композиционного материала в нем возникают
силы, которые не могут быть восприняты бетонной поверхностью кон­
струкции или адгезивом. Их величина определяется жесткостью компо­
зиционного материала и условиями эксплуатации усиливаемой конст­
рукции. Американский институт бетона рекомендует определять их по
следующим зависимостям [62]:
^ 0,9 при nEctc < 180000,
ус1 = —
— <0, 9 при nEctc >180000,
£-cd пЕ(.tc
(2.7)
( 2.8)
где п - количество слоев композиционного материала; есг/ = е(/ yc:i Усз деформация композиционного материала, используемая при опреде­
лении коэффициента ус1 и зависящ ая от условий эксплуатации; ус2 коэффициент, учитывающий тип волокна в композиционном матери­
але и условия его эксплуатации. Его величины приведены в табл. 2.3;
угз - коэффициент, учитывающий непосредственное воздействие аг­
рессивной внешней среды. Его величины приведены в табл. 2.4.
Необходимо учитывать, что значения коэффициента усз получены
в результате исследований Nabil F. Grace [63] при испытаниях компо­
зиционных материалов в условиях прямого воздействия внешней сре­
ды. Например, для определения влияния щелочной агрессии на свой­
ства композиционного материала он был помещен в щелочной раствор
с pH 9,5 на 10 ООО часов. При испытаниях композиционного материа­
ла в условиях замораживания и оттаивания было проведено 700 цик­
лов изменения температуры от -17,8 °С до +4 °С
Расчетные значения сопротивления растяжению Rc и деформаций
композиционных материалов еср определяются делением норматив­
ных значений этих характеристик на коэффициент надежности по
композиционному материалу угт: уст = 1,1 для полос заводского изго­
товления; Ум = 1,1 - 1,2 для однонаправленных холстов из углерода;
Уст = 1,2 - 1,4 для однонаправленных холстов из арамида; уст = 1,5 1,8 для двунаправленных холстов из стекловолокна.
Глава
59
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и у с и л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
Таблица 2.3. Значения коэффициента ус2
Условия
эксплуатации
Тип волокна
(фибры) в КМ
Коэффициент
Углерод
Стекло
Арамид
Углерод
Стекло
Арамид
Углерод
Стекло
Арамид
0,95
0,75
0,85
0,85
0,65
0,75
0,85
0,50
0,70
Внутри зданий и сооружений
На открытом воздухе
В условиях агрессивной внешней среды
Ус2
Таблица 2 4 Значения коэффициента ус3
Коэффициент угз
Тип воздействия
для полос ламинатов
Щелочная агрессия
Соляная агрессия
100 % влажность
Замораживание—оттаивание
1,00
0,95
0,70
0,90
для холстовых материалов
0,90
0,90
0,90
0,85
Возьмем для примера композиционный материал на основе углерод­
ных волокон со следующими характеристиками (данные фирмы-произ­
водителя): Rcf= 2600 МПа; Ecf = 200 ГПа; tc = 1,4 мм; егу = 0,013. Усилива­
емая конструкция находится на открытом воздухе, и устанавливается
один слой композиционного материала (п = 1) В этом случае расчетное
сопротивление растяжению композиционного материала составит Rc =
974 МПа. Из приведенного примера видно, что принимаемое при расче­
тах значение прочности на растяжение композиционного материала по­
чти в три раза меньше значения прочности по данным фирмы-произво­
дителя. Необходимо отметить, что изготовители композиционных мате­
риалов в своих рекомендациях зачастую сами указывают рекомендуемые
ими коэффициенты надежности по материалу или предельные расчетные
деформации, которые надо использовать при проектировании.
2.4. Р а зр уш ен и е конструкций,
усиленных внеш ним а р м и р о в а н и е м
Причины разрушения изгибаемых железобетонных элементов,
усиленных внешним армированием композиционными материалами,
могут быть разбиты на две основные группы:
• работоспособность усиленной конструкции сохраняется вплоть
до начала разрушения бетона сжатой зоны или разрушения растянутого
КМФ (такой характер разрушения можно назвать «классическим»);
60
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций ком позиционны м и м атер и ал ам и
• разрушение конструкции наступает ранее из-за отслоения ком­
позиционного материала от бетона.
Общее разрушение конструкции может наступить в следующих
случаях:
• пластическое разрушение арматуры растянутой зоны при дости­
жении напряжениями в стержневой арматуре физического (условно­
го) предела текучести с дальнейшим разрушением бетона сжатой
зоны. Если конструкция армирована высокопрочной проволокой с
малым относительным удлинением при разрыве (около 4 %), то одно­
временно с разрывом проволоки происходит раздробление бетона
сжатой зоны. Разрушение в данном случае носит хрупкий характер.
Композиционный материал при этом не разрушается;
• хрупкое разрушение бетона сжатой зоны в элементах с избыточ­
ным содержанием растянутой стальной арматуры и растянутого ком­
позиционного материала. Применение внешнего усиления конструк­
ции КМ Ф в данном случае малоэффективно;
• пластическое разрушение арматуры растянутой зоны при неболь­
шом проценте армирования композиционными материалами, что в пер­
вую очередь приводит к их разрыву и перераспределению нагрузки на
внутреннюю стальную арматуру, из-за чего начинается ее разрушение.
Местное разрушение усиленной внешним армированием КМФ
железобетонной конструкции может произойти из-за потери сцепле­
ния между бетоном и композиционным материалом, а также из-за раз­
рушения контактов слоев. Хорошая адгезия между К М Ф и бетоном
прежде всего необходима для передачи действующих усилий с бетона
на композиционный материал усиления. Нарушение сцепления меж­
ду поверхностью бетона и композиционным материалом под действи­
ем нормальных и касательных напряжений приводит к местному раз­
рушению конструкции, что необходимо принимать во внимание при
определении ее несущей способности с учетом внешнего армирования
КМ Ф . В большинстве случаев такой вид разрушения обычно проис­
ходит на участке с трещиной. При его распространении на другие уча­
стки внешний К М Ф теряет способность воспринимать нагрузки, и
происходит его отслоение от бетона. Если при этом отсутствует воз­
можность перераспределения напряжений с внешней арматуры из
композиционного материала на внутреннюю стальную, то отслоение
может носить хрупкий характер и происходить внезапно.
В общем случае в результате ремонта и усиления железобетонного
элемента внешним армированием композиционными материалами его
сечение представляет собой слоистую конструкцию (рис. 2.2). Разру­
шение в таком случае возможно по следующим пяти слоям и поверх­
ностям их раздела:
• разрушение в старом бетоне непосредственно у склеиваемой по­
верхности или возле внутренней растянутой арматуры. При выполне-
Глава
61
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и у си л ен и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
Стары й бетон
Ргфуш енне:
» старой бетоне
Рис. 2.2. Возможные поверхности разрушения усиливаемой (ремонтируе­
мой) конструкции
нии ремонтных работ этот тип разрушения относится и к используе­
мому ремонтному составу. Нормативная прочность на растяжение бе­
тона или ремонтного состава должна составлять 1,5 - 3,0 МПа;
• разрушение на границе между старым бетоном и ремонтным со­
ставом. Для предотвращения этого вида разрушения необходимо ис­
пользовать системный ремонтный состав, обладающий высокой адге­
зией с деформационными свойствами, близкими к деформационным
свойствам существующего бетона, что обеспечит их совместную рабо­
ту. Адгезия клеевой композиции к бетону в этом случае должна быть
2,0 - 2,5 МПа;
• разрушение в клеящем составе. Прочность на растяжение систем­
ного клеящего состава обычно выше, чем бетона, и поэтому разруше­
ние происходит в бетоне. Разрушение по этой поверхности может про­
изойти только при высокой температуре или при очень большой проч­
ности бетона на растяжение. Паропроницаемость усиливаемой строи­
тельной конструкции обеспечивается использованием системной па­
ропроницаемой адгезионной системы (праймер, смола и покрытие
PU). К сожалению, плохо изученным остается вопрос влияния толщ и­
ны клеевого состава на его прочностные характеристики;
• разрушение по контакту между бетоном и клеящим составом или
между клеящим составом и полосой КМ Ф. Этот вид разрушения воз­
можен только при некачественной подготовке бетонной поверхности в
процессе приклеивания полосы композиционного материала. Во всех
случаях адгезия между слоями должна быть не менее 2,0 - 2,5 МПа;
• разрушение собственно композиционного материала. В принци­
пе такой вид разрушения возможен, так как КМФУ состоит из двух со­
ставляющих: углеродного волокна и отверждающего полимера. Одна­
ко на практике это возможно только при некачественной обработке
62
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
Внутренняя
Рис. 2.3. Типы разрушения железобетонной конструкции, усиленной
КМФУ
поверхности, при неправильном проектировании усиления и при пре­
вышении действующих на конструкцию нагрузок предельных вели­
чин, принятых при проектировании.
При испытаниях образцов с внешним армированием КМФУ на
изгиб наиболее часто разрушение происходит в результате отслоения
полосы композиционного материала от поверхности бетона. При этом
по большей части слабым местом сцепления между полосой КМФУ и
бетоном является слой бетона, расположенный вблизи поверхности
соединения. В зависимости от начальной точки процесса разрушения
выделяются четыре типа разрушения (рис. 2.3) [64].
Тип 1. Разрушение начинается в не нарушенной трещинами зоне
анкеровки полосы КМФУ Композиционный материал может отсло­
иться в этой зоне в результате смятия бетона под действием сдвигаю­
щих напряжений на контакте слоев.
Тип 2. Отслоение КМФУ происходит в результате образования
трещин от действия внешней нагрузки. Трещины в бетоне, первона­
чально нормальные к продольной оси элемента, могут далее распрост­
раняться горизонтально. В этом случае отслоение полосы композици­
онного материала произойдет в центральной части конструкции, в от­
далении от зон анкеровки
Тип 3. Отслоение КМФУ в результате образования наклонных тре­
щин, которые образуются в результате совместного действия нормаль­
ных и касательных напряжений и которые могут быть доминантными
при отслоении полосы композиционного материала. Однако в конст­
рукциях с достаточным внутренним и внешним поперечным армиро­
ванием образование таких трещин маловероятно, и отслоение компо­
зиционного материала возможно только при недостаточном попереч­
ном армировании.
Тип 4 Отслоение композиционного материала может быть вызва­
но и неровностями поверхности бетона. Неровность и шероховатость
Глава
2. П р о е к т и р о в а н и е р е м о н т а и ус и л е н и я ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
Р
63
Р
Рис. 2.4. Характер разрушения на конце полосы композиционного матери­
ала. Р - сосредоточенная нагрузка
бетонной поверхности являю тся концентраторами напряжений и
вследствие этого могут служить причиной начальной местной потери
сцепления полосы КМФУ с бетоном, которая может распространить­
ся далее и стать причиной отслоения.
Экспериментальные исследования, проведенные Jansze W. [65],
показывают, что в случае расположения концов ленты КМФУ на не­
котором расстоянии от опоры L (наиболее типичный случай) в этом
месте может образоваться вертикальная трещина, которая в дальней­
шем может развиваться наклонно, как от действия поперечной силы
(рис. 2.4, левая трещина). Однако в случае достаточного внутреннего
поперечного армирования развитие этой трещины в вертикальном
направлении останавливается, и она начинает развиваться горизон­
тально, параллельно внутренней продольной арматуре. В результате
приклеенная полоса композиционного материала вместе с бетоном
отделяется от основной конструкции на уровне продольной армату­
ры в виде скалывания (рис. 2.4, правая трещина). Такой характер раз­
рушения называется отрывом бетона. Оба этих механизма разруш е­
ния могут быть реализованы только тогда, когда максимальная попе­
речная сила, действующая на расстоянии L от опоры, превысит допу­
стимое значение.
В работе [66] приводятся результаты испытаний пяти балок, из­
влеченных из реального моста, эксплуатировавшегося около 40 лет.
Балки были отремонтированы и усилены различными системами с
использованием композиционных материалов.
Экспериментально полученные значения деформаций композици­
онного материала, при которых наблюдалось разрушение усиленной
конструкции, оказались меньше расчетных. Проанализировав резуль­
таты экспериментальных исследований, авторы определили место по­
явления разрушений:
• примыкание к главной балке второстепенных;
64
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций ком позиционны м и м атер и ал ам и
• изменение геометрических размеров поперечного сечения уси­
ленных балок;
• обрыв части стержней растянутой арматуры;
• изменение ш ирины и толщ ины самого композиционного мате­
риала;
• приложение сосредоточенной силы.
Во всех этих местах наблюдаются скачки касательных напряжений
на границе между бетоном и полосой композиционного материала, что
приводит к отслоению последнего, а следовательно, и к разрушению
конструкции. Эти места по длине усиливаемой конструкции нуждают­
ся в дополнительной анкеровке.
Другим важным выводом, полученным авторами, является то, что
поперечное сечение балки остается плоским, и наблюдается линейная
зависимость между деформациями в сжатой зоне бетона и растягива­
ющими деформациями в композиционном материале до уровня на­
грузки 60 - 70 % от разрушающей. При более высоком уровне нагру­
жения наблюдаются отклонения из-за появления локальных трещин
на границе между бетоном и композиционным материалом.
Г л а в а
3.
ПРО ЕКТИ РО ВАН ИЕ УСИ ЛЕН И Я
ИЗГИБАЕМ Ы Х Ж ЕЛЕЗО Б ЕТО Н Н Ы Х
К О Н С ТР УК Ц И Й
3.1. О бщ ие полож ения
Наиболее распространенными изгибаемыми элементами железо­
бетонных конструкций являю тся плиты и балки. Из них формируют
многие железобетонные конструкции, чаще всего - плоские перекры­
тия и покрытия. Плиты и балки могут быть однопролетными и много­
пролетными. Такие плиты деформируются подобно балочным конст­
рукциям при разного типа нагрузках, если значение последних не из­
меняется в направлении, перпендикулярном пролету. Также на изгиб
работают различные элементы мостовых конструкций, ригели и мно­
гие другие инженерные сооружения.
Железобетонные конструкции могут быть усилены при работе на
изгиб внешним армированием композиционными материалами путем
приклеивания последних в растянутой зоне конструкции с расположе­
нием направления фибры параллельно максимальным растягиваю­
щим усилиям (продольно оси конструкции). Этот принцип проиллю­
стрирован на рис. 3.1. При восстановлении или увеличении несущей
способности железобетонных плит возможно несколько вариантов
усиления. Наиболее распространенным является вариант усиления
плит в направлении действия максимального изгибающего момента но
их длинной стороне (рис. 3.2). Н а рис. 3.3 показан пример двунаправ­
ленного усиления плит, когда величина изгибающего момента дости­
гает предельных значений и в поперечном направлении. При действии
на плиту сосредоточенной нагрузки не всегда возникает необходи­
мость в усилении всей растянутой грани, достаточно произвести уси­
ление мест действия сосредоточенной силы. Этот принцип проиллюс­
трирован на рис. 3.4 при приложении сосредоточенной силы в центре
усиливаемой конструкции (а) и в произвольном месте (б).
Согласно общим нормативным положениям расчета изгибаемых
железобетонных элементов усиленные композиционным материалом
конструкции должны рассчитываться по прочности сечений, нормаль­
ных к продольной оси элемента, и по прочности сечений, наклонных к
продольной оси элемента, по второй группе предельных состояний,
включая проверку полученных результатов расчета по величине пре­
дельных расчетных деформаций.
66
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атери алам и
У силение н а действие
поперечной силы
X
У силение
при изгибе
Рис. 3.1. Усиление изгибаемых железобетонных конструкций
А ►
Л
н
777
А-А
! <1
А ►
Анке ровка концевых участков
I
_
...
.
\^ Ц
— Полоса КМФ
— Полоса КМФ
Рис. 3.2. Усиление железобетонных плит в направлении действия макси­
мального изгибающего момента
J
1
!I
□
Продольная полоса
^—
Поперечные полосы
Рис. 3.3. Двунаправленное усиление железобетонных плит
Помимо этого при расположении композиционных материалов в
растянутой зоне сечения усиливаемых элементов необходимо осуще­
ствлять проверку возможности отслоения концевых участков КМФ
под действием поперечных и сдвиговых сил, а также оценивать воз-
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й ___________
67
-Точка приложения силы
Рис. 3.4. Усиление плит при действии сосредоточенной силы
можность потери сцепления между композиционным материалом и
старым бетоном или ремонтным составом в местах, где могут наблю­
даться скачки касательных напряжений.
Предельные усилия в сечении, нормальном к продольной оси эле­
мента, в подобных случаях определяются исходя из следующих допу­
щений:
• сечение, плоское до приложения нагрузки, остается таким же и
после ее приложения (гипотеза плоских сечений);
• сопротивление бетона растянутой зоны принимается равным
нулю;
• сопротивление бетона сжатию определяется напряжениями,
равными Rь и равномерно распределенными по сжатой зоне бетона;
• деформации (напряж ения) в арматуре определяются в зависи­
мости от высоты сжатой зоны бетона;
• растягивающие напряжения в арматуре принимаются не более
расчетного сопротивления растяжению Rs\
• сжимающие напряжения в арматуре принимаются не более рас­
четного сопротивления сжатию Rsc, но не более 400 МПа;
• композиционный материал усиления имеет линейную диаграм­
му деформирования вплоть до разрушения;
• исключается сдвиг по поверхности между бетоном и композици­
онным материалом (это допущение вполне обоснованно для наиболее
часто применяемых адгезивов толщиной до 1,0 - 1,5 мм, деформирую­
щихся вязко-упруго, а деформации сдвиговой ползучести и усадки
которых незначительны).
68
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
В результате расчета определяются тип композиционного матери­
ала усиления и необходимая площадь его поперечного сечения. Так
как прочность эпоксидной смолы (матрицы) мала по сравнению с
прочностью волокна, то в расчете учитывается только их площадь по­
перечного сечения.
На первом этапе проектирования важным моментом является
оценка начальной нагрузки на конструкцию до и во время проведения
работ по усилению и восстановлению ее несущей способности. Это
необходимо для определения начальной деформации крайне растяну­
того волокна бетона, к которому в дальнейшем будет приклеен компо­
зиционный материал усиления. При проектировании необходимо раз­
личать две принципиально различные ситуации. Первая ситуация усиление конструкции, находящейся в работоспособном состоянии и
рассчитываемой на новую повышенную нагрузку. В этом случае еще
до установки полосы композиционного материала в растянутой зоне
бетона происходят деформации ehw, которые не будут восприниматься
позже установленным КМ Ф. Вторая ситуация - ремонт и восстанов­
ление первоначальной несущей способности конструкции. В этом слу­
чае, как правило, к старому бетону в растянутой зоне присоединяется
ремонтный состав, к которому приклеивается композиционный мате­
риал. И хотя ремонтному составу частично передаются деформации
существующего бетона, большей частью он испытывает растягиваю­
щие деформации совместно с приклеенной полосой КМ Ф. Таким об­
разом, при проектировании восстановления несущей способности
конструкции начальные деформации растяжения бетона учитывать не
рекомендуется. Все дальнейшие формулы в основном приводятся для
случая усиления конструкций.
3 .2 . Прочность усиленной конструкции
по н о р м а л ь н ы м сечениям
Исходные данные для анализа начальной ситуации перед усилени­
ем (расчетная схема конструкции, действующие нагрузки, размеры
конструкции и степень повреждения бетона и арматуры) определяют­
ся в результате проведения диагностического обследования подлежа­
щей усилению железобетонной конструкции. Определение начально­
го максимального изгибающего момента М 0 производится как для вто­
рой группы предельных состояний без учета коэффициентов надежно­
сти по нагрузке и по материалу. На этом этапе производится определе­
ние распределения деформаций по сечению конструкции исходя из ее
работы в упругой стадии. По сути, анализ начальной ситуации произ­
водится по допускаемым напряжениям.
Если начальный максимальный изгибающий момент М 0 больше
момента трещинообразования сечения М сгс, то расчет производится
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
69
Рис. 3.5. Начальное напряженно-деформированное состояние элемента пе­
ред усилением
как для сечения с трещинами, приведенного на рис. 3.5. В случае, если
М0< М(ГС, его влиянием при дальнейшем расчете усиливаемой конст­
рукции можно пренебречь.
Высота сжатой зоны сечения х 0 находится из условия, что стати­
ческий момент приведенного сечения относительно нейтральной оси
равен нулю:
Sred = Ьхо 2 / 2 + aAs'(x о - а ) - aAs(h0 - х 0) = 0,
(3.1)
где b — ширина сечения прямоугольного элемента, мм; а = EJE^ — от­
ношение модулей упругости арматурной стали и бетона; Л / — площадь
поперечного сечения сжатой арматуры, мм2; As - площадь поперечно­
го сечения растянутой арматуры, мм2; а' — расстояние от оси, нормаль­
ной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечения
сжатой арматуры, до внешнего сжатого края сечения элемента, мм;
h0 — рабочая (полезная) высота сечения (мм), h0 = h - a; h — полная
высота сечения, а - расстояние от оси, нормальной к плоскости изги­
ба и проходящей через центр тяжести сечения растянутой арматуры,
до внешнего растянутого края сечения.
Момент инерции приведенного сечения Irecf.
Ired = bx03/ 3 + aAs(h0 - x 0)2 + aAs'(x0 - a')2.
(3.2)
Исходя из принципа неразрывности деформаций и их линейного
распределения по нормальному сечению, максимальные деформации
крайне растянутого волокна бетона определяются по формуле:
М 0 (h - X Q )
(3.3)
Ebbed
При проектировании ремонта и восстановления начальной несу­
щей способности железобетонной конструкции эти деформации в
дальнейшем не учитываются.
£-Ыо
70
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж е л езоб ето н н ы х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
А’Д е;
RA
_АЛ
-А Е е
Ьс
Рис. 3.6. Напряженно-деформированное состояние усиленного КМФ изги­
баемого железобетонного элемента: а - поперечное сечение; б - распределе­
ние деформаций; в - распределение внутренних усилий
По действующим строительным нормам [2J, расчет прочности из­
гибаемых железобетонных элементов любого профиля по нормаль­
ным сечениям, согласно первой группе предельных состояний, выпол­
няется из той предпосылки, что конструкция находится на III стадии
напряженного состояния (стадии разрушения).
При этом наиболее вероятным типом разруш ения будет или раз­
рушение бетона сжатой зоны, или разрушение растянутой арматуры.
Расчетная схема усилий, напряжений и деформаций, действующих в
сечении элемента, приведена на рис. 3.6. Композиционный материал,
приклеенный к растянутой грани элемента, остается неповрежден­
ным. Арматура в сжатой зоне сечения может достигнуть своего пре­
дельного значения сопротивления сжатию Rsc или испытывать на­
пряжение а х = Ese ', особенно если используется смешанная армату­
ра. Полное использование механических свойств ненапрягаемой ар­
матуры возможно лишь в плитах и редко в балках с малым содержа­
нием арматуры [67J.
Положение нейтральной оси усиленной конструкции должно удов­
летворять условию х < ^ h0, где величина t,R определяется согласно ре­
комендациям [2] как для не усиленной конструкции. Высота сжатой
зоны определяется исходя из равенства проекции нормальных сил, дей­
ствующих в сечении элемента сил, исходя из формулы:
Ri,bx +
= A SRS + А сЕсес.
(3.4)
Если сжатая арматура достигает своего предельного значения со­
противления сжатию, то в выражение (3.4) вместо произведения Е&
подставляется величина Rsc. Если же сжатая арматура не достигает
своего предельного сопротивления сжатию, то положение нейтраль­
Гл а в а
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зг и б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
71
ной оси определяется из совместного решения уравнений (3.4) — (3.6)
относительно es, ес и х.
Исходя из непрерывности деформаций, получим
г Ьи
х~а ,
^:= Ч и ^^-Ч го .
(3.5)
(3.6)
Предельная деформация крайне сжатого волокна бетона
в зави­
симости от относительной влажности воздуха окружающей среды и
продолжительности действия нагрузки определяется согласно указа­
ниям [2].
Несущая способность сечения конструкции по изгибающему мо­
менту:
Ms = Rf,bx(hv - Q,5x) + Es£sAs(h0 - a ) + A cEce(a.
(3.7)
Несущая способность сечения M s должна быть больше или равна
максимальному изгибающему моменту М действующему в конструк­
ции от всех внешних сил после приложения новой нагрузки: Ms > М
Из равенства этих моментов легко определяется минимально не­
обходимая для усиления площадь композиционного материала А с.
При ремонте и восстановлении первоначальной несущей спо­
собности конструкции М„, по результатам диагностического обсле­
дования необходимо определить фактические размеры и прочность
установленной арматуры: А / , R /, A 'J , Rsc’f, а также расчетную проч­
ность бетона на сжатие и размеры поперечного сечения ж елезобетон­
ной конструкции: R / , У, У и h j . На следующем этапе по этим дан­
ным определяется ф актическая несущ ая способность конструкции
на момент ремонта Msk и та разница в несущей способности АМ =
= Msv - Msk, которую необходимо компенсировать установкой ком­
позиционных материалов. П редварительно площадь полосы компо­
зиционного материала, необходимого для восстановления несущей
способности конструкции, определяется по зависимости:
_ ДА^
‘
(38)
Rca
Учитывая, что добавление композиционного материала в растяну­
тую зону сечения ремонтируемой конструкции изменяет положение
нейтральной оси, то ее положение после ремонта и восстановления
несущей способности определяется по формуле:
x sv
=x sk
АСЛ С
■
f
f
(3.9)
72
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
После этого окончательно уточняется количество композиционно­
го материала, необходимого для восстановления несущей способности
железобетонной конструкции:
л _ Мsv ~ R*h f*sv
с_
~ °’5jr^') ~ R* ^ f (^о ~ Q )
Rca
^3
10^
Для того чтобы приведенные выше соотношения имели смысл и не
произошли недопустимые деформации растянутых арматуры и ком­
позиционного материала, необходимо соблюдать следующие условия:
деформации в растянутой арматуре:
(3-11)
*
Es
деформации в композиционном материале при усилении конст­
рукции:
—^bu
~
^bto —^ср-
(3-12)
Деформации растянутой арматуры и композиционного материала
не должны превышать предельных расчетных значений.
При восстановлении несущей способности конструкции в зависи­
мости (3.12) не учитывается вычитаемое е^го.
Если допустить, что предельные состояния наступают сразу во
всех четырех составляющих конструкции (бетоне, сжатой и растяну­
той арматуре и композиционном материале), то в формулы (3.4) и
(3.7) вместо значений Eses' и Есес надо подставлять значения Rx и Rc
соответственно, хотя вероятность наступления такой ситуации нич­
тожно мала.
3 .3 . П рочность усиленной конструкции
по н а к л о н н ы м сечениям
Экспериментальными исследованиями установлено, что на приопорных участках изгибаемых элементов под воздействием попереч­
ной силы Q и изгибающих моментов М в сечениях, наклонных к оси,
формируется напряженно-деформированное состояние, которое мо­
жет привести к образованию наклонных трещин. Главные растягиваю­
щие ( c mt) и главные сжимающие ( с тс) напряжения действуют под не­
которым углом (q) к продольной оси элемента. Если главные растяги­
вающие напряжения (<зт1) превысят прочность бетона на растяжение
(Rbt), то возникают наклонные трещины, и усилия, действующие в эле­
менте, передаются на арматуру, в том числе и внешнюю из композици­
онного материала. Место образования трещин, их наклон, раскрытие
и развитие но высоте зависят от вида нагрузок, формы сечения эле­
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
73
мента, вида армирования (в том числе и внешнего армирования
КМФ) и других факторов.
Образование наклонной трещины приводит к разделению железобе­
тонного элемента на две части, связанные между собой в сжатой зоне
бетоном над наклонной трещиной, а в растянутой зоне - продольной
стальной арматурой и полосой композиционного материала, попереч­
ной арматурой из стали и КМ Ф, пересекающими наклонную трещину.
Наиболее общим и распространенным случаем разрушения желе­
зобетонного элемента по наклонному сечению является случай, когда
внутренние усилия в бетоне сжатой зоны над наклонной трещиной и
осевые усилия в арматуре, пересекаемой наклонной трещиной, приво­
дят к сдвигу по наклонному сечению от доминирующего действия по­
перечной силы. Образование наклонной трещины начинается в сере­
дине боковых граней. В этом месте касательные напряжения т от по­
перечной силы достигают максимума:
г™ =
=QKblO>2,5R„„
(3.13)
где <5Ш - главные растягивающие напряжения на уровне нулевой л и ­
нии элементов без напрягаемой арматуры. Вследствие неупругих
свойств бетона касательные напряжения равномерно распределяются
по сечению, и наклонная трещина раскрывается примерно одинаково
по всей длине. Происходит взаимное смещение частей элемента по
вертикали. В результате совместного действия сжимающих и срезаю­
щих усилий разрушается бетон сжатой зоны.
Использование композиционного материала для усиления изги­
баемых элементов по наклонным сечениям наиболее эффективно
при направлении его волокон максимально параллельно действию
растягивающих напряжений.
В приопорной части конструкции главные растягивающие и глав­
ные сжимающие напряжения действуют на площадках, расположен­
ных под углом, близким к 45°, относительно оси усиливаемого элемен­
та. На практике расположение элементов внешнего усиления КМ Ф
выполняется с направлением волокон перпендикулярно оси усилива­
емой конструкции или с некоторым углом к ней (рис. 3.7). На этом же
рисунке приведены различные схемы усиления конструкций.
В ходе исследований по усилению железобетонных элементов
композиционными материалами на действие поперечной силы по на­
клонному сечению предполагалось, что композиционный материал в
этом случае ведет себя подобно внутренней поперечной стальной ар­
матуре. Несущая способность внешних «хомутов» из КМ Ф определя­
лась их прочностью на растяжение или предельной допускаемой де­
формацией. Последние исследования в этой области [68] позволили
установить, что разрушение по наклонному сечению усиленного ком­
позиционным материалом бетонного элемента начинается раньше до­
74
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций композиционны м и м атериалам и
Усиление балки U-образным КМФ
Усиление балки по боковым
сторонам
Усиление колонны
Охватывающее (по
всему периметру)
усиление прямоугольной
формы
Рис. 3.7. Схемы усиления колонн и балок холстовыми композиционными
материалами
стижения полосами или хомутами К М Ф предельных значений проч­
ности на растяжение и деформаций. Фактическая деформация при
разрушении г / соответствует повышенному модулю упругости воло­
кон композиционного материала в направлении действия растягиваю­
щих напряжений. Величину фактической деформации при разруше­
нии практически невозможно определить точными методами механи­
ки сплошной среды и трудно определить экспериментальным путем.
В результате экспериментальных исследований [68] удалось устано­
вить, что величина е / прямо пропорциональна величине относитель­
ной жесткости композиционного материала ЕС\1Си обратно пропорци­
ональна прочности бетона на растяжение R^. Основным моментом
при определении фактической деформации при разрушении КМ Ф ос­
тается вопрос о его поведении и роли при исчерпывании несущей спо­
собности железобетонного элемента под действием поперечной силы.
Непреложным остается только тог факт (многократно подтвержден­
ный экспериментально), что разрушение бетона на прионорном участ­
ке почти всегда происходит в виде образования и развития диагональ­
ной наклонной трещины, как при наличии композиционного материа­
ла усиления, так и при его отсутствии [69 — 72].
Расчет железобетонных элементов с поперечной арматурой на
действие поперечной силы для обеспечения прочности по наклонной
трещине производится по наиболее опасному наклонному сечению
из условия:
Q ^ Оь + Qm> + %Qc>
(3.14)
В это условие, в отличие от известного [2], добавилось еще одно сла­
гаемое x Q , представляющее собой поперечное усилие, воспринимаемое
композиционным материалом. Понижающий коэффициент %зависит от
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
75
применяемой схемы усиления. При охватывающем по всем четырем
сторонам усилении прямоугольной балки % = 0,95, а при усилении тав­
рового элемента по трем сторонам (U -образное усиление) х = 0,85.
Поперечная сила, воспринимаемая композиционным материалом,
может быть определена по следующей зависимости:
Qc =
—сhco sin a (ctgQ+erg ос),
(3.15)
5
где Ас = 2ntcbc - площадь поперечного сечения композиционного ма­
териала; tc - толщина одного слоя композиционного материала, опре­
деляется теоретически как частное от отношения площадного веса
холста (г /м 2) к его плотности (г /м 3); hco - рабочая высота сечения
КМФ, обычно hco = h0 для прямоугольных элементов и hco = h0 - h j
для элементов таврового сечения; s - расстояние между полосами ком­
позиционного материала по осям длины элемента; 0 - угол между на­
клонной трещиной и продольной осью элемента. В общем случае
0 = arctg h0/c, где с - длина проекции наклонной трещины; а - угол
между главной ориентацией волокон в композиционном материале и
продольной осью элемента. При армировании вертикальными полоса­
ми (наиболее распространенный случай) а = 90°; Rc = zcqEc - растяги­
вающие напряжения в композиционном материале, которые в пре­
дельном состоянии прямо пропорциональны расчетным деформациям
растяжения КМ Ф ес<? при действии поперечной силы и представляют
собой расчетное сопротивление композиционного материала растяже­
нию при усилении на действие поперечной силы.
Выше уже было сказано, что разрушение бетона при его усилении
на действие поперечной силы начинается раньше, чем холсты из ком­
позиционного материала достигнут своих предельных расчетных зна­
чений деформаций и прочности на растяжение. Поэтому при проекти­
ровании максимальная расчетная величина деформаций принимается
не более 0,4 % и зависит от схемы армирования элемента композици­
онными материалами.
При охватывающем усилении по всему периметру конструкции [69]
Zcq = 0,004 < 0,15гср.
(3.16)
При усилении конструкции холстами по трем или двум сторонам [73]
е«7 = Уч*ср -0,004-
(3.17)
Значения понижающего коэффициента условий работы yq зависят
от прочности бетона на сжатие, жесткости композиционного материа­
ла и принятой схемы усиления. Его величина определяется по следу­
ющим эмпирическим формулам:
Ъ Ъ Ье
4
11900еср
< Q75
(318)
'
76
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атери алам и
где Le = ---------( ;n t c E c )
—эффективная длина композиционного материа'
ла, по которой в основном передаются касательные напряжения меж\0.67
ду холстом и бетоном; Yi =1 ~h г
27 /
прочность бетона на сжатие; Уг ~
— коэффициент, учитывающий
т
те»
— при усилении конструк­
h —2L
ции по трем сторонам (U -образное усиление) и у2 = — --------
при уси-
^со
лении боковых частей элемента (по двум сторонам).
Так как все вышеприведенные зависимости являю тся эмпиричес­
кими, то все размеры в них проставляются в миллиметрах, прочность
бетона — в МПа и модуль упругости — в ГПа.
Правилами проектирования, разработанными ACI 318-99, предус­
матривается следующее ограничение на суммарную величину попереч­
ных сил, воспринимаемых композиционным материалом и поперечной
арматурой:
Qsw+Qc <0,66Rbbh0.
(3.19)
По сути, эта суммарная величина должна быть меньше поперечной
силы, воспринимаемой наклонной бетонной полосой, находящейся
под воздействием сжимающих усилий вдоль полосы и растягивающих
усилий от поперечной стальной арматуры и арматуры из композици­
онного материала, пересекающих наклонную полосу.
На рис. 3.8 приведено различное возможное положение полосы
или ленты композиционного материала относительно наклонной тре­
щины при усилении конструкции U -образной лентой (а, в) и только
по двум боковым поверхностям (б, г). При этом на рис. 3.8, а, б показа­
но правильное положение полосы КМ Ф , при котором достигается
максимальная эффективность усиления, а на рис. 3.8, в, г - неэффек­
тивное расположение полосы КМ Ф.
3 .4 . О сновны е полож ения расчета усиленны х конструкций
по обр азов ан и ю и раскры тию трещ ин
По второй группе предельных состояний проверяются трещиностойкость и перемещения железобетонных элементов. Трещиностойкость элементов - это их сопротивление образованию трещин на пер­
вой стадии деформирования или сопротивление раскрытию трещин на
второй стадии. Трещиностойкость элементов проверяется расчетом в
сечениях, нормальных к продольной оси, а при наличии поперечных
сил — также и в сечениях, наклонных к продольной оси элемента [67].
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
77
Рис. 3.8. Различное положение полосы или ленты композиционного мате­
риала при усилении конструкции по наклонным сечениям: а, б - наиболее
эффективное расположение КМФ при усилении U-образной лентой (а) и
только по боковым сторонам (б); в, г - неправильное расположение КМ при
усилении U-образной лентой (в) и по боковым сторонам (г)
Наличие композиционного материала усиления незначительно
влияет на величину момента внутренних усилий в сечении перед об­
разованием трещин Мсгс (момент трещинообразования) в силу малой
жесткости композиционного материала из-за его небольшой толщины
(tc <1,4 мм).
Так, по действующим нормам [2, 3] момент трещинообразования
для прямоугольных, тавровых и двутавровых сечений, изгибаемых без
предварительного напряжения, определяется с учетом неупругих де­
формаций растянутого бетона:
Мтс = RbtserWpi,
(3.20)
где Лыж - расчетное сопротивление бетона для предельных состояний
второй группы [2J; Wpi - упругопластический момент сопротивления
железобетонного сечения по растянутой зоне в предположении, что
продольная сила отсутствует. При усилении элемента КМ Ф
2 ( ^ ,0 /
+ а 4 + р /,)
я —X
где IiXj> Iso, Isc', Ic - моменты инерции относительно нейтральной оси
площадей сечения бетона сжатой зоны, арматуры обеих зон и компо­
зиционного материала; Sb0 - статический момент относительно той же
78
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций композиционны м и м атери алам и
оси площади сечения бетона растянутой зоны; h - х — расстояние от
Е
Е
центральной оси до края растянутой зоны; а = — ; р = —
Еь
Еь
Положение нейтральной оси усиленного элемента определяется из
условия:
4
+ a S ;„ -c tf„ -p s r = ^ ^ i ,
(3.22)
где S)^, S j , Sso, Sc - статические моменты относительно нейтральной оси
площадей сечения бетона сжатой зоны, арматуры обеих зон и компози­
ционного материала; Лы - площадь сечения бетона растянутой зоны.
Как показывают расчеты, в большинстве случаев влияние компо­
зиционного материала на образование трещин в железобетонной кон­
струкции не превышает 1 % по сравнению с неусиленной конструкци­
ей и этой величиной, исключая расчеты прямоугольных балок неболь­
шого поперечного сечения, которыми можно пренебречь. Поэтому
если ремонтируемая конструкция имеет значительные прогибы и тре­
щины в растянутой зоне с большим раскрытием, то к восстановлению
такой конструкции при помощи композиционных материалов надо
подходить с максимальной осторожностью.
После образования трещин в растянутых зонах железобетонных
элементов при дальнейшем увеличении нагрузки происходит их рас­
крытие. В общем виде ширина раскрытия трещин, нормальных к про­
дольной оси элемента, представляет собой разность удлинений армату­
ры и растянутого бетона на участке между трещинами длиной 1СГС, т.е:
О-СГС ~~
^сгс
^btnrcrc•
(3.23)
Средней деформацией растянутого бетона ввиду ее малости обыч­
но пренебрегают и принимают acrc = es/crc.
В случае усиления железобетонной конструкции композиционны­
ми материалами ширина раскрытия трещин будет определяться раз­
ностью удлинений арматуры и композиционного материала на участ­
ке между трещинами:
О-ат ~~
^5 4тс
^с^сгс.
(3.24)
Помимо этого наличие в сечении композиционного материала по­
влияет и на расстояние между смежными нормальными трещинами lm.
Строительные нормы [2, 3] рекомендуют определять ширину рас­
крытия трещин, нормальных к продольной оси элемента, на уровне
оси растянутой арматуры по эмпирической формуле, полученной при
анализе и обобщении многочисленных экспериментальных исследова­
ний. Такой же подход используется при определении ширины раскры­
тия трещин железобетонных конструкций, усиленных композицион­
ными материалами.
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й
79
Для определения ширины раскрытия трещин можно воспользо­
ваться экспериментальными исследованиями и их обработкой, выпол­
ненными в работах [74, 75].
Ширина раскрытия трещин при наличии композиционного мате­
риала определяется по эмпирической формуле
асгс = 2 ,1ц*------------- —
,
(3.25)
E s hoVs,<m(us + 0 ,694мс )
где М — максимальный изгибающий момент от эксплуатационных на­
грузок, учитываемых при расчете железобетонных конструкций по обАbt
разованию и раскрытию трещин; ц* = —— — коэффициент части плоЬп
щади бетона, работающей на растяжение; А ы — площадь части бетона,
работающей на растяжение; принимается меньшее из двух значений:
Е
As+ Д . -£■
Е
Afo = 2,5(h — ha)b или (h —х )Ь /3; цл.Н1|, = ------------ — суммарный коэфbhQ
фициент армирования сечения железобетонного элемента стальной
растянутой арматурой и композиционным материалом; us и ис - пери­
метры стальной арматуры и композиционного материала (ввиду ма­
лой толщины К М Ф и прилегания его к бетону одной стороной прини­
мается и(. = Ьс).
Подставляя в выражение (3.25) допустимую ширину раскрытия
трещин в зависимости от категории конструкции по трещиностойкости, можно получить требуемую ширину композиционного материала:
М
Ьс > 3,03м.*— ---------------------------------------------(3.26)
SО
M -SKW I
&СГС
Размерность данной формулы соблюдается, так как ширина рас­
крытия трещин проставляется в миллиметрах.
Из выражения (3.25) следует, что ширина раскрытия трещин будет
меньше при большей ширине и небольшой толщине композиционного
материала. При использовании КМ Ф для высоких балок требуемая ши­
рина КМ Ф может быть больше ширины самой балки. В этом случае по
возможности следует применять КМ Ф большей толщины и с большим
модулем упругости, что позволит увеличить суммарный коэффициент
армирования
и тем самым снизить ширину раскрытия трещин или
уменьшить требуемую толщину КМ Ф. Возможно также применять од­
новременно более одной полосы ламината, наклеивая их одну на дру­
гую. Однако в этом случае ухудшается суммарная работоспособность
каждой полосы из-за наличия дополнительных клеевых соединений.
Небольшое количество КМ Ф может значительно увеличить несу­
щую способность конструкции. Однако маленькая площадь попереч­
80
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
ного сечения К М Ф и в ряде случаев более низкий по сравнению со
сталью модуль упругости (композиционные материалы на основе
стекловолокна и арамида) придают в результате чего небольшую жес­
ткость EfAc. Такая жесткость во многих случаях не позволяет значи­
тельно уменьшить кривизну железобетонного элемента и его прогиб.
Поэтому для уменьшения кривизны и прогибов наряду с КМ Ф необ­
ходимо использовать другие способы усиления. Следует, однако, от­
метить, что усиление изгибаемых железобетонных конструкций ком
позиционными материалами позволяет в несколько раз увеличить
прогиб элемента до наступления его разрушения.
3 .5 . О гран и чен ия н а н апр яж ен ия,
действую щ ие в усиленной конструкции
При эксплуатационных нагрузках для предотвращения чрезмерной
ползучести бетона, текучести арматуры и разрушения КМ Ф требуются
ограничения на напряжения в бетоне, стальной арматуре и композици­
онном материале. При присоединении в растянутой зоне внешнего ар­
мирования из КМ Ф по условию равновесия вытекает, что сжимающие
силы возрастут эквивалентно растягивающим. Поэтому значительное
изменение может наблюдаться в сжимающих напряжениях в бетоне.
Чтобы не допустить значительного сжатия бетона, развития трещин и
его необратимых деформаций, вводят следующие ограничения на на­
пряжения в бетоне сьС() <0,6/?б — от действия кратковременной нагрузки;
аь < 0,A5R[) — от действия длительной нагрузки.
Напряжения в бетоне определяются для крайне сжатого волокна
отдельно от действия каждой из нагрузок, взятых с коэффициентом
надежности по нагрузке, равным единице. с ь = Ebre(fi-b- Значение при­
веденного модуля деформации сжатого бетона на участке с трещинами в растянутой зоне определяется по формуле Eb red = — :— .
Ebl.red
При непродолжительном действии нагрузки £bi,red = 0,0015;
при продолжительном действии нагрузки в зависимости от отно­
сительной влажности воздуха окружающей среды W
при W > 75 % — £м red = 0,0024;
при 75 % > W > 40 % - £hi,red = 0,0028;
при W < 40 % — £h\,red = 0,0034.
Напряжения и деформации крайне сжатого волокна бетона опре­
деляются по формулам:
Мх
Мх
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
81
где Ire(j — момент инерции приведенного сечения относительно его
центра тяжести,
(3.27)
Кеи
+
+ IIa i2+ Ica r
Значения коэффициентов приведения арматуры и композицион­
ного материала к бетону согласно рекомендациям [76]
для сжатой арматуры a sl = — —
E b,red
для растянутой арматуры a v2 = — ~г— ;
V s E b,red
для композиционного материала о.с
Для изгибаемых элементов коэффициенты \j/v и vj/c допускается оп­
ределять по формуле:
Vs = Vc = l - O , 8 % ^ 2 0,2.
(3.28)
М
При этом моменты инерции, статические моменты, моменты со­
противления, площадь приведенного сечения и расстояние от наибо­
лее растянутого волокна бетона до центра тяжести приведенного сече­
ния элемента определяются с учетом композиционного материала на
растянутой грани сечения.
Для прямоугольного сечения высота сжатой зоны определяется по
зависимости:
армирования сечения железобетонного элемента растянутой и сжатой
арматурой и композиционным материалом.
Для предотвращения разрушения стальной растянутой арматуры
вводится следующее ограничение на напряжения в ней от действия
кратковременных эксплуатационных нагрузок:
(3.30)
где х - положение нейтральной оси при статическом прочностном рас­
чете по второй группе предельных состояний с учетом усиления ком­
позиционными материалами.
82
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и а л а м и
Ограничение по напряжениям в композиционном материале при
действии длительных эксплуатационных нагрузок имеет следующий
вид:
с„ = ЕЛ е
h -x
(3.31)
-Ч ю
где Т| < 1 —коэффициент, ограничивающий напряжения в композици­
онном материале и зависящий от его типа. Основываясь на экспери­
ментальных исследованиях [77], можно рекомендовать rj = 0,8 для
КМФУ; rj = 0,6 для КМФА и т} = 0,3 для КМ ФС.
Дополнительно также проверяется возможность нарушения поверх­
ностей раздела в системе «бетон — адгезив — композиционный матери­
ал». Максимальные концентрации напряжений в этой системе наблю­
даются на концах приклеенного к бетону композиционного материала и
в местах дислокации трещин. При эксплуатационных нагрузках началь­
ный процесс нарушения поверхности из-за уменьшения сцепления ком­
позиционного материала может быть предотвращен, аналогично тому,
как сохраняется длительная целостность зоны анкеровки при цикличес­
ких нагрузках или циклах «замораживание-оттаивание». Для удовлет­
ворения этого требования следует соблюдать условие, что при длитель­
ной нагрузке по второй группе предельных состояний максимальное
напряжение сдвига на конце полосы К М Ф tc, определенное в рамках
теории упругости, меньше, чем R^^r- В случае дополнительной анкеров­
ки конца полосы КМ Ф эта проверка не является необходимой. Один из
вариантов определения tc приведен в работе [78]:
т. = Qx=О
М г_,
t=0
tc (h - х)
red
</?,b t,s e r ,
(3.32)
где G a и t a - модуль сдвига и толщина адгезива между поверхностями
бетона и композиционного материала; Qx „ 0 и Мх - о - поперечная сила
и изгибающий момент, действующие в сечении, соответствующем кон­
цу полосы композиционного материала.
Все геометрические характеристики в выражении (3.32) подстав­
ляются в миллиметрах, модули упругости и сдвига в МПа, поперечная
сила в Н и изгибающий момент в Н-мм.
3 .6 . А н к е р о в к а прикл еенной к бетону полосы
ком п ози цион н ого м а те р и а л а
Исключительно важным является вопрос анкеровки приклеенной
полосы композиционного материала к бетону усиливаемой конструк­
ции, так как отслоение полосы КМ Ф от бетона является одной из ос­
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й ___________ 83
U-образная анкеровка
холстами из КМФ
Рис. 3.9. Анкеровка концевых участков полосы композиционного материала
Рис. 3.10. Усиление и возможная анкеровка консольных конструкций
новных причин потери работоспособности усиленного железобетонно­
го элемента. Анкеровку необходимо производить в местах действия
максимальных касательных напряжений на границе раздела бетона и
композиционного материала.
На рис. 3.9 приведена схема анкеровки концевых участков при
усилении однопролетной балки на шарнирных опорах. Особое внима­
ние следует уделить усилению и анкеровке консольных плит и балок
(рис. 3.10), а также неразрезных конструкций, когда растягивающие
усилия на опорах действуют на верхней грани элемента (рис. 3.11).
б
Рис. 3.11. Усиление и анкеровка неразрезных балок
При этом гораздо более эффективной будет конструкция усиления,
представленная на рис. 3.10, а, когда в опорной части элемента проре­
зается щель, куда заводится полоса композиционного материала. Схе­
му на рис. 3.10, б можно рекомендовать только в том случае, если по
каким-либо причинам невозможно или затруднено использование
других схем. Отдельные правила проектирования, принятые за рубе­
жом [62], вообще рекомендуют не усиливать внутренние углы конст­
рукций, а если этого избежать нельзя, то они должны быть обязатель­
но скруглены радиусом 50 мм и более. В любом случае длина анкеровки La должна быть не менее 150 мм.
Типичное распределение нормальных и касательных напряжений
на концевом участке приклеенной к бетону полосы композиционного
материала приведено на рис. 3.12. И з графиков видно, что максималь­
ные напряжения действуют на самом конце полосы композиционного
материала (до 150 - 200 мм), при этом касательные напряжения по
абсолютной величине в несколько раз больше нормальных. Кроме
того, как уже указывалось ранее, концентраторами напряжений явля­
ются места сопряжения железобетонных конструкций, изменения гео-
Глава
85
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
7 -|
6
-
Касательные напряжения
Нормальные напряжения
“Г
-1-J
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Расстояние от конца полосы, мм
Рис. 3.12. Распределение нормальных и касательных напряжений на кон­
цевом участке полосы композиционного материала
Таблица 3.1. Значения коэффициентов kit k2 и fe3
x/h 10,00
ki +20,0
k2 -2,00
0,00
h
0,10
+9,72
0,00
+ 1,46
J 0,20 | 0,25
+2,56 0,00
+ 1,28 +1,69
+2,05 +2,11
0,40
0,50 0,60
0,70 (0.80
0,90 | 1,00
-1,96 -4,32 -5,00 -4,48 -3,24 -1,76 0,52 0,00
+ 1,96 +2,16 +2,00 + 1,60 + 1,08 +0,56 +0,16 0,00
+2,06 + 1,73 + 1,25 +0,77 +0,38 +0,13 +0,02 0,00
1 0,30
метрических размеров поперечного сечения элемента и обрыва части
стержней растянутой арматуры, изменения ширины и толщины само­
го композиционного материала и точки приложения сосредоточенной
силы. Все эти места по длине усиливаемой конструкции нуждаются в
анкеровке.
Местные нормальные о у и касательные
напряжения на конце­
вых участках клеевого шва между полосой композиционного материа­
ла и бетонной поверхностью можно определить, используя зависимос­
ти, полученные для стальных пластин [79]
(3.33)
<0,05Rbt
(3.34)
где коэффициенты k lt k2 и k3 определяются по табл 3.1 в зависимости
от относительной продольной ординаты x /h (л: отсчитывается от кон­
ца полосы композиционного материала).
М, Т, Р - соответственно изгибающий момент, касательная и про­
дольная силы, действующие к оси балки (рис. 3.13)
86
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и а л а м и
ь1
Рис. 3.13. Расчетные схемы для определения местных напряжений в клее­
вом шве
Р=-
И)
(3.36)
i сфс^С ( _ [с
(3.37)
're,
[
где М с1 и (2,1 “ изгибающий момент и поперечная сила в сечении, распо­
ложенном на расстоянии с от опоры. В общем случае с - L + x (L —рас­
стояние от опоры до конца полосы композиционного материала);
Т =-
yt =
----- расстояние от наиболее растянутого волокна бетона до цен^ red
тра тяжести приведенного сечения усиленного элемента; A red, Sred, Ired соответственно площадь, статический момент и момент инерции приве­
денного сечения относительно его центра тяжести. Учитывая незначи­
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е уси л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
87
тельную толщину композиционного материала при наклейке его в один
слой, величиной tc в выше приведенных формулах можно пренебречь.
Отрывающее Qx и сдвигающее Ту усилия определяются по зависи­
мостям:
Qi = ( О - А ; Ту = с о А ,
где со_0 - площадь отрицательной части эпюры нормальных напряже­
ний; tox - площадь эпюры касательных напряжений.
Экспериментальные исследования механизма разрушения усилен­
ных конструкций вследствие отслоения композиционного материала
на концевых участках [74, 80] показали, что при растяжении КМ Ф на
появление отслоения влияет целый ряд факторов: деформационные и
прочностные свойства материала усиления и бетона, вид прилагаемой
нагрузки, ширина раскрытия трещин и многие другие.
Одним из вариантов, обеспечивающих предотвращение отслаива­
ния КМФ, является ограничение растягивающих деформаций до оп­
ределенного значения. В дополнение к этому прочность концевой ан­
керовки полосы композиционного материала должна быть обоснована
методами механики разрушения и на соотношении «напряжение сцеп­
ления - сдвиг». В связи с этим при проектировании деформации огра­
ничены величинами от 0,0065 до 0,0085.
Однако ограничение деформаций в ряде случаев ведет к неэконо­
мичному использованию композиционного материала, особенно при
усилении большепролетных конструкций. Д ля проверки максималь­
ного усилия анкеровки Na>max (Н ) и максимальной длины зоны анке­
ровки Lamax (мм) можно рекомендовать зависимости, приводимые в
[80 ]:
Уа^а\ кс
Ertr
■to, max
Tc^c^bt,ser >
(3.38)
> 150 мм,
(3.39)
где уа - понижаю щий коэффициент, учитываю щ ий влияние на­
клонных трещин на прочность сцепления между бетоном и компо­
зиционным материалом, уа = 0,9. Д ля конструкций, нереармированных поперечной арматурой, можно принимать уа = 1; ka1 = 0,64 и
ka2 = 2,0 - эмпирические коэффициенты, полученные в результате
обработки данных экспериментальных исследований; kc - коэф ф и­
циент, учитываю щ ий плотность бетона в усиляемой части конст­
рукции. Д ля больш инства конструкций можно принимать kc = 1,0, а
для бетонных поверхностей с низкой плотностью, не имеющих кон­
такта с опалубкой во время отливки, kc = 0,67; kb - коэффициент,
учитывающий геометрические размеры конструкции и полосы ком­
позиционного материала:
88
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и а л а м и
Рис. 3.14. Обрыв полосы композиционного материала в пролете: 1 - точка
теоретического обрыва; 2 - эпюра изгибающих моментов
kb - 1,06
b
2- —
Ъ
>1, о,
(3.40)
!1 +
400
где Ъс/Ъг = 0,33.
Зависимости (3.38, 3.39 и 3.40) являются эмпирическими, поэтому
очень важна размерность подставляемых в них величин. Значения Ь,
Ъс и tc измеряются в мм, а Ес и Rbtn — в МПа. При соотношении длин
анкеровки La < La max усилие анкеровки можно определить по следую­
щей зависимости [74]:
(
(3.41)
Сама анкеровка технически выполняется или традиционными спо­
собами с использованием накладных металлических пластин и анкер­
ных болтов, или с помощью холстовых композиционных материалов.
3 .7 . О п р е д е л е н и е м еста о б р ы в а полосы композиционного
м а те р и а л а в пролете конструкции
Другой важный вопрос, который необходимо решать при проекти­
ровании усиления изгибаемых железобетонных конструкций, — рассто­
яние L от опоры до места обрыва приклеенного композиционного мате­
риала. Его требуется учитывать для обеспечения прочности наклонных
Глава
3. П р о е к т и р о в а н и е у с и л ен и я и зги б а е м ы х ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й
89
сечений на действие изгибающего момента. Общая рекомендация подводить полосу композиционного материала как можно ближе к опо­
ре. Для фактического определения этого расстояния w можно восполь­
зоваться положениями, приводимыми в [76] (рис. 3.14).
Растянутые полосы композиционного материала, обрываемые в
пролете, должны заводиться за точку теоретического обрыва (т.е. за
нормальное сечение, в котором внешний момент становится равным
предельному моменту M uit без учета обрываемой полосы К М Ф ) на
длину не менее w, определяемую по формуле:
(3.42)
при этом если
(3.43)
где Q — поперечная сила в нормальном сечении, проходящем через
R А
точку теоретического обрыва; qsw = 5>v 5tv — усилие в поперечной ар­
матуре на единицу длины элемента; Ьс и tc — соответственно ширина и
толщина обрываемой полосы композиционного материала.
Для элементов без поперечной арматуры принимается w = 2/г0.
Эти же зависимости могут быть использованы для определения
места обрыва одной из полос композиционного материала в случае
усиления железобетонной конструкции несколькими полосами.
I
Г л а в а 4.
П РО ЕКТИ РО ВАН И Е УСИ ЛЕН И Я К О Л О Н Н
О Б О Й М А М И ИЗ К О М П О З И Ц И О Н Н Ы Х
М А ТЕ Р И А Л О В
4 .1 . О сновны е полож ения усиления конструкций
о б о й м а м и из ко м п о зи ц ио н н ы х м атер и ал ов
Усиление железобетонных конструкций, особенно колонн зданий,
инженерных и мостовых сооружений, с целью повышения их несущей
способности обычно производится в случае предполагаемого увеличе­
ния нагрузки на несущие конструкции, повышения их жесткости, вос­
приятия дополнительного изгибающего момента или для защиты от
землетрясений. Традиционно в этих случаях применяются следующие
способы усиления:
• охватывание колонны стальными обоймами или обручами;
• увеличение поперечного сечения колонны присоединением бе­
тонного или железобетонного элемента.
Усиление стальными обоймами по периметру колонн повышает
прочность бетона и его деформативность, а также предотвращает про­
скальзывание и изгиб внутренней продольной арматуры. Однако этот
способ усиления колонн имеет и ряд существенных недостатков. Вопервых, наружное расположение стальных обойм, особенно в услови­
ях агрессивной внешней среды, способствует их коррозии и снижению
вследствие этого усиливающего эффекта. Во-вторых, несовмести­
мость деформационных характеристик (модуля упругости и коэффи­
циента Пуассона) стали и бетона. В связи с этим альтернативой усиле­
нию колонн стальными обоймами является их усиление композицион­
ными материалами.
Усиление колонн обоймами из композиционных материалов полу­
чило развитие сравнительно недавно - в середине 90-х годов XX века.
Аналитические и экспериментальные исследования по усилению же­
лезобетонных колонн композиционными материалами достаточно
полно отражены в работах [81—88].
Композиционный материал в отличие от стали, создающей постоян­
ное радиальное давление на усиливаемый элемент после достижения
пластичности, упруго деформируется вплоть до разрушения и поэтому
оказывает возрастающее пассивное радиальное давление на бетонный
образец, находящийся под осевой нагрузкой. Из рис. 4.1 следует, что
начало осевой деформации бетона происходит после достижения сталь­
ной обоймой предана текучести и не сопровождается увеличением ра­
диального давления о г на бетонный образец. В отличие от этого обойма
Глава
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления колонн о б о й м а м и из ком позиц ионны х м а те р и а л о в
91
(5D
:
S и,зо
2
Л -э с
я
0,20
а,
■*
0
’
1
0,10
1
0,05
0
5
10
15
Радиальная деформация хКИ
20
Рис. 4.1. Сравнительные графики деформирования колонн при их усиле­
нии обоймами из стали и композиционных материалов
из композиционного материала вызывает постоянно возрастающее ра­
диальное давление на образец.
Эффективность усиления обоймами из К М Ф зависит от боковой
дилатансии бетона, являющейся в свою очередь функцией бокового
давления. Таким образом, модели усиленного композиционным мате­
риалом бетонного образца основываются на взаимодействии радиаль­
ного расширения бетона и обоймы КМ Ф. Получаемые при испытании
таких моделей эмпирические зависимости но определению прочности
на сжатие и деформаций бетона, усиленного обоймой из КМ Ф , также
учитывают особенности деформирования системы «бетон - обойма
КМФ» под осевой нагрузкой.
Предельные деформации бетона, усиленного обоймой из КМ Ф ,
находятся в функциональной зависимости от расчетных предельных
деформаций композиционного материала, принятого для усиления.
Экспериментальные исследования показывают, что тангенциальные
разрушающие деформации обычно имеют меньшие значения, чем раз­
рушающие деформации, получаемые при стандартных испытаниях
холстов КМ Ф на растяжение. Снижение величин разрушающих де­
формаций можно объяснить несколькими факторами
• трехосным напряженным состоянием охватывающего бетон
композиционного материала. Как показано на рис. 4.2, обойма из ком­
позиционного материала совместно с бетоном воспринимает сжимаю­
щие напряжения, пассивный отпор бетона и растягивающие напряже­
ния от бокового расширения. Их величина зависит от типа компози­
ционного материала и состояния соединяемых поверхностей, которое
в свою очередь зависит от целого ряда факторов (жесткость адгезива
между обоймой КМ Ф и бетоном, тщательность и условия подготовки
соединяемых поверхностей и т.д.). В случае неполного воздействия
обоймы на бетон колонна подвергается только передающимся на нее
сжимающим напряжениям и деформациям и поэтому разуплотняется
в зоне расширения или из-за разрушения КМ Ф , или из-за отслоения
92
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
Радиальные напряжения от действия
обоймы из КМФ
Рис. 4.2. Распределение напряжений в железобетонном элементе при его
усилении обоймами из композиционного материала
обоймы от бетона. Тангенциальные деформации обоймы е0 немного
меньше предельных деформаций композиционного материала £ои, так
как градиент напряжений в обойме из-за действующего радиального
давления sr влияет на предел прочности КМ Ф . В случае полного при­
легания обоймы КМ Ф к бетону композиционный материал усиления
подвергается как собственным продольным деформациям, так и про­
дольным деформациям, передаваемым ему бетоном. Предельные на­
пряжения и деформации снижаются из-за развития отслоений и мик­
роизгиба на отдельных участках. Разрушение происходит даже при
меньших тангенциальных деформациях, чем в случае неполного со­
единения слоев;
• качеством выполнения подготовки поверхности бетона. Если во­
локна композиционного материала в некоторых местах расположены
неэффективно из-за наличия пустот или некачественной подготовки
поверхности, то часть энергии тангенциальной деформации приходится
на вытягивание волокон. К М Ф также может быть поврежден непра­
вильно закругленными краями холста или местными неровностями;
• искривленным видом обоймы из композиционного материала,
особенно в колоннах с малым радиусом закругления углов;
• наличием масштабного эффекта при применении для создания
обоймы нескольких слоев композиционных материалов.
Многочисленные экспериментальные исследования процессов де­
формирования и разрушения бетона в условиях трехосного напряжен­
ного состояния позволили установить, что бетон в колоннах, охвачен­
ных обоймами из композиционного материала, ведет себя как били­
нейный материал. При этом прочность бетона в направлении действия
максимального напряжения значительно возрастает. На рис. 4.3 пред­
ставлены схема проведения испытаний бетонной колонны и получен­
ные результаты в виде диаграммы «напряжение - деформация».
Глава
- 8,0
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления ко л он н о б о й м а м и из ко м п ози ц и он н ы х м а т е р и а л о в
- 6.0
- 4,0
- 2,0
0.0
2.0
4,0
6,0
6.0
10,0
12,0
93
14,0
Деформация, мм/м
Прочность R., МПа
%
---------- Без обоймы
Тип колонны
38
100
_
60
157
e tn rcw i
Рис. 4.3. Экспериментальные исследования деформирования бетонной ко­
лонны без обоймы и в обойме из композиционных материалов
При усилении двухметровой бетонной колонны обоймой из
пяти слоев холстового композиционного материала S& P С Sheet 240
прочность бетона на сжатие возросла на 57 %. На начальной стадии
деформирования его поведение подобно поведению неусиленного
бетона, до тех пор пока обойма из К М Ф не начинает вызывать ради­
альные напряжения в бетоне. При возрастании осевой нагрузки ско­
рость развития радиальных деформаций в бетоне также увеличива­
ется, что является результатом сопутствующего снижения жесткости
бетона. При достижении бетоном предельных деформаций сжатия в
материале начинают образовываться трещины, и охватывающая
94
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
обойма из композиционного материала полностью вступает в работу.
На этой стадии деформирования диаграмма «напряжение - деформа­
ция» становится линейной с углом наклона, пропорциональным
жесткости обоймы КМ Ф .
Большинство исследований, посвященных деформированию под
нагрузкой бетона, усиленного стальными обоймами или обоймами из
композиционного материала, базируются на одной из первых фунда­
ментальных работ Richart F.E. et al [89], в которой исследуется поведе­
ние бетона в трехосном напряженном состоянии. В стабилометре в
цилиндрическом бетонном образце поддерживалось заданное гидро­
статическое давление. При этом прочность и жесткость образца возра­
стали с увеличением бокового гидростатического давления. Анализ
экспериментальных данных позволил получить следующую эмпири­
ческую зависимость:
где Rb0 - прочность на сжатие усиленного обоймой бетона; Rh - расчет­
ная прочность бетона на сжатие; ф - угол внутреннего трения бетона.
Если принять для бетона наиболее характерное значение угла
внутреннего трения ф = 37°, то зависимость (4.1) преобразуется в вы­
ражение:
(4.2)
Rbo=Rh + 4 ,to rВ этих экспериментах образцы были подвержены активному гид­
ростатическому давлению, остающемуся постоянным в течение всего
времени проведения испытаний. Однако когда стальная обойма дости­
гает стадии пассивного обжатия бетона, радиальные напряжения раз­
виваются только в результате бокового расширения бетона. В этом
случае радиальные напряжения являются неоднородными и непосто­
янными. Тем не менее многие исследуемые экспериментальные моде­
ли поведения заключенного в обойму бетонного образца описывают
уравнением, приведенным в [81]:
(4.3)
Фундаментальный анализ напряженно-деформированного состоя­
ния железобетонных колонн, усиленных обоймой из композиционных
материалов, выполнен в монографии [88]. Результаты сопоставления
аналитических моделей различных авторов с данными эксперимен­
тальных исследований даны в работах [90, 91]. Ниже приводятся че­
тыре зависимости по определению прочности заключенного в обойму
бетона Rfo, дающие наиболее близкие результаты к данным натурных
испытаний. В квадратных скобках после формул указаны источники.
Глава
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления колон н о б о й м а м и из ко м п ози ц и он н ы х м а те р и а л о в
95
(4.4)
V
/
/
\0,84
(4-5)
V D/
Въо=*ь 1+ 2 , 9 8 ^
[94].
bJ
У
Rbo= Rb 1+ 2’3
[91].
,
^
(4-6)
(4-7)
j
Как можно увидеть, формулы (4.4)—(4.7) имеют одинаковую
структуру и различаются только коэффициентами и показателями
степени. Среднее отклонение фактических величин прочности от рас­
четных, полученных по этим зависимостям, находится в пределах
5,0 - 7,5 % при максимальном отклонении 13,66 %. Между тем поло­
женная в основу проектирования усиления многими нормами зависи­
мость (4.3) [85] имеет среднее отклонение 16,2 % при максимальном
значении 24,9 %. Как будет показано ниже, она позволяет учесть раз­
личную форму колонн, а все остальные зависимости справедливы
только для круглой формы поперечного сечения.
В принципе каждая из рассмотренных моделей может служить
основой для проектирования усиления колонн обоймами из компо­
зиционных материалов. Сравнительный анализ теоретических ре­
зультатов и опытных данных показал, что, когда предлагаемые моде­
ли достаточно хорошо соотносятся с предполагаемой нагрузкой, они
плохо коррелируются с предельными деформациями. Отсюда выте­
кают различия между теоретическими и опытными данными в части
описания кривой деформирования системы «бетон - усиливаю щая
обойма из КМ Ф ».
Для случая усиления бетонного цилиндра сплошной обоймой из
композиционного материала с направлением расположения волокон
по касательной к поверхности цилиндра охватывающее радиальное
давление можно записать в виде:
(4-8)
D
где Rco - расчетное сопротивление растяжению обоймы из композици­
онного материала; D - диаметр обоймы из композиционного материа­
ла. Учитывая малую толщину обоймы, при расчетах его можно прини­
мать равным диаметру колонны.
а,Г
96
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезоб етон н ы х конструкций композиционны м и м атер и ал ам и
Рис. 4.4. Усиление колонн обоймами из композиционных материалов
Необходимо отметить, что, несмотря на большое количество вы­
полняемых в этой области исследований, многие вопросы остаются
нерешенными (влияние формы колонны, типа композиционного мате­
риала, его жесткости и модуля упругости, их влияние на напряженнодеформированное состояние бетона во всем теле колонны, а не только
в местах установки датчиков, какова роль внутренней стальной арма­
туры и многие другие). Но несомненная практическая выгода исполь­
зования обойм из композиционных материалов заставляет разрабаты­
вать правила проектирования, исходя из данных имеющихся апроби­
рованных исследований, с осторожностью внося в них коррективы по
результатам новых исследований.
Усиление обоймами железобетонных колонн (или более простых
конструкций, например труб) значительно повышает требования к
осевой нагрузке, изгибу, поперечным силам, действующим в конструк­
ции. В силу возрастания прочности бетона на сжатие увеличиваются
поперечные силы и повышается сопротивление изгибу сжатой сталь­
ной арматуры. В случае усиления колонн оболочкой (стальной или из
К М Ф ) последняя может располагаться по внешнему периметру ко­
лонны или формироваться посредством опалубки.
Основными задачами усиления колонн внешними обоймами из
К М Ф являю тся [49]:
• повышение несущей способности и деформативности бетона
(рис. 4.4, а);
• предотвращение разрушения колонн в местах соединения про­
дольной арматуры с выпусками арматуры из фундамента (рис. 4.4, б);
Гл о в а
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления к о лон н о б о й м а м и из ком п ози ц и он н ы х м а те р и а л о в
97
Рис. 4.5. Основные способы усиления круглых колонн
Рис. 4.6. Автоматическое создание обоймы из композиционного материала
• обеспечение боковой устойчивости продольных стержней арма­
туры (рис. 4.4, в);
• предотвращение разрушения защитного слоя бетона.
В случае круглых колонн эти цели достигаются путем применения
внешних холстов композиционного материала непрерывно по всей
длине колонны (рис. 4.5, о), в виде отдельных обручей, устраиваемых
через определенные промежутки (рис. 4.5, б), или путем спиральной
навивки холстового композиционного материала (рис. 4.5, в).
Сама обойма из холстовых композиционных материалов монтиру­
ется или вручную, или с помощью специального автоматического уст­
ройства (рис. 4.6), позволяющего осуществить предварительное на-
98
Вн еш н ее о р м и р о в о н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атериалам и
2а
Рис. 4.7. Усиление квадратных (а, б) и прямоугольных (в, г) колонн с изме­
нением их формы поперечного сечения соответственно на круглую и эллип­
совидную
пряжение в обойме. Технология автоматического создания обоймы из
композиционных материалов была впервые разработана в Японии в
начале 90-х годов. Она позволяет создавать непрерывную обойму из
длинных лент под небольшим углом к горизонтальной оси. Работы по
усилению в этом случае выполняются с высокой производительнос­
тью труда и хорошим качеством. С помощью технологии автоматичес­
кой обмотки можно усиливать не только колонны, но и башни, трубы
и другие инженерные сооружения аналогичной конфигурации.
В случае усиления прямоугольных или квадратных колонн в зави­
симости от тина применяемых холстов их углы должны быть скругле­
ны радиусами 15—25 мм. Усиление внешними обоймами прямоуголь­
ных колонн менее эффективно, чем круглых, так как концентрация на­
пряжений локализуется в углах конструкции и основная толщина обо­
лочки должна быть между углами для ограничения бокового расшире­
ния и исключения недопустимого изгиба колонны. В связи с этим квад­
ратным колоннам перед ремонтом и усилением стараются по возмож­
ности придать круглую форму поперечного сечения (рис. 4.7, а, б), а
прямоугольным — эллипсовидную (рис. 4.7, в, г) Это достигается зак­
лючением колонн в опалубку соответствующей формы и последующим
их обетонированием. Для уменьшения расхода бетона углы квадратных
или прямоугольных колонн могут быть срезаны (рис. 4.7, б, г).
Углеродные композиционные материалы предпочтительнее в случае
предполагаемого увеличения нагрузки на колонну, а арамидные или
стекловолокна — в случае изменения гибкости конструкции. Обойма
Глава
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления колон н о б о й м а м и из ком п ози ц и он н ы х м а те р и а л о в
99
КМФ может состоять из активных или пассивных слоев или их комби­
нации. Подобно стальным обоймам пассивные обоймы из КМ Ф обеспе­
чивают восприятие пассивного бокового давления При использовании
активных (преднапряженных) оболочек боковое охватывающее давле­
ние обеспечивается раньше, чем при пассивном отпоре, вызванном ра­
диальным расширением бетона колонны при его осевом сжатии.
В зависимости от формы колонны и расположения композиционно­
го материала усиления распределение радиальных давлений в колонне
будет неравномерным. Выделяют четыре основных типа усиления:
• усиление обоймой из КМ Ф цилиндрической колонны по всей ее
длине с расположением волокон композиционного материала перпен­
дикулярно продольной оси колонны;
• частичное усиление круглой колонны кольцами из КМФ;
• усиление обоймой из К М Ф с произвольным расположением во­
локон относительно продольной оси колонны;
• усиление колонн некруглой формы поперечного сечения.
Все усиленные элементы проверяются по следующим критериям:
• разрыв композиционного материала обоймы под действием рас­
тягивающих напряжений;
• разрушение обоймы из К М Ф в местах соединения слоев внахле­
стку;
• разрушение колонны иод действием поперечных сил;
• соответствие условиям но второй группе предельных состояний:
осевые и радиальные деформации колонны, разрушения от усталости
и ползучести материала.
При разработке параметров усиления остановимся на общеприня­
тых моделях [85], используемых при разработке правил проектирова­
ния создания обойм из композиционных материалов в других странах.
4.2. Уси лени е центрально-сж аты х колонн
Многочисленные экспериментальные исследования показали, что
наиболее эффективным является усиление колонн, воспринимающих
центрально-приложенную нагрузку или нагрузку со случайным экс­
центриситетом. Несущая способность колонны до ремонта и усиления
N определяется по результатам диагностических исследований но оп­
ределению фактических размеров всей конструкции и составляющих
ее элементов, а также прочностных свойств существующего бетона и
арматуры с учетом их физического износа:
N = N h + N s < /V*;
N = Rh ( Ag - As ) + Rx As,
(4.9)
(4.10)
где N* — осевая нагрузка на колонну; Ag - площадь сечения колонны,
включая площадь бетона и арматуры.
100
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м атериалам и
Несущая способность колонны после ее усиления обоймой из ком­
позиционного материала Ny зависит от формы колонны и принятой
схемы усиления (рис. 4.6). В общем случае прочность на сжатие уси­
ленного обоймой бетона Rf,0 может быть определена по одной из двух
полученных экспериментальным путем зависимостей:
Rbo = Кь + Ре/Р/Р/стг;
(4.11)
*Ъо=Ш *г>
(4-12)
где Рef - коэффициент эффективности охватывающего усиления, Ре/ = 2
для круглой, прямоугольной и эллипсовидной форм колонн; Рf - коэф­
фициент, учитывающий форму колонны, для круглых колонн р^= 1, а
для остальных форм определяется по формулам, которые будут при­
ведены ниже; Р/ - коэффициент, учитывающий сплошность усиления
колонны гю ее длине. Необходимо отметить, что частичное усиление
целесообразно применять только для круглых колонн; Р? - повышаю­
щий коэффициент, учитывающий деформирование бетона при трехос­
ном сжатии. Для его определения используется немного модифициро­
ванная формула (4.3):
Pi =1,25 1,8/1 + 7,94-
- 1, 6 -
(4.13)
Gr,max ~ максимальное радиальное напряжение в бетоне, вызванное
обоймой из композиционных материалов. Для круглых колонн его
значение определяется по зависимости (4.8);
- понижающий коэф­
фициент, учитывающий изменение уровня радиальных напряжений в
бетоне в зависимости от формы колонны. Его величина определяется
по следующей эмпирической формуле:
р2 - 1 + 1,4 f,nun - 0 . 6
-
0,8
(4.14)
ДЛЯ круглых КОЛОНН C7r min =CTr max =Gr.
Наиболее эффективным является усиление круглых колонн по
всей их длине. В этом случае все сечение бетона конструкции испыты­
вает повышенные радиальные напряжения, и соответственно в любой
точке усиленной обоймой колонны бетон имеет повышенную проч­
ность на сжатие. Иная картина наблюдается при усилении колонн
прямоугольной формы поперечного сечения или при усилении круг­
лых колонн отдельными полосами композиционного материала.
В колоннах прямоугольного поперечного сечения с размерами
сторон bxh (рис. 4.8) и с углами, закругленными радиусами гс = 1525 мм, часть бетона не испытывает эф ф екта усиления, и только в ча-
Глава
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления ко лон н о б о й м а м и из ко м п ози ц и он н ы х м а т е р и а л о в
101
Неусиленная область элемента
КМФ
b —Ь —2гс
Ъ
Рис. 4.8. Эффективная область усиления обоймами из КМФ прямоуголь­
ных железобетонных колонн: b и И - размеры сторон прямоугольной колон­
ны; b и И размеры частей колонн, не охваченных усилением
сти площади поперечного сечения образуется ядро бетона, испыты­
вающего повышенные радиальные напряж ения. Н еусиленные обла­
сти бетона ограничены арками с углом наклона 45° к грани колон­
ны (см. рис. 4.8). Экспериментальные исследования [90] показы ва­
ют, что эф ф ективность усиления квадратных и прямоугольных ко­
лонн примерно одинакова и составляет около 50 % от усиления
круглых колонн.
Полная площадь сечения бетона, не охваченного усилением, опре­
деляется из условия, что ее граница в силу арочного эффекта в теле
колонны очерчена по параболе:
\ u = b- t f - (4-15)
Отсюда площадь ядра бетона прямоугольной колонны, в котором
действуют повышенные радиальные напряжения и в котором достига­
ется максимальная эффективность усиления:
Af =
( 4 - 16)
~ А ~ \ и ~ ( 4 ~ к ) гс •
Значения коэффициента Ру-, зависящего от формы колонны, опре­
деляются по следующим зависимостям: для прямоугольной колонны
Р/ = —
hA e f
Ь \\ ~
A f
г ; для квадратной колонны ру = ----------и для эллинти-
Asj
А?
ческой колонны Ру = ^—j , где а - большая полуось эллипса. Как уже
отмечалось выше, для круглых колонн ру = 1. Из приведенных формул
102
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и а л а м и
лЛ
неусиленная
область
элем ента
КМФ
Рис. 4.9. Частичное усиление круглой колонны но ее длине полосами ком­
позиционного материала шириной b(: s - расстояние между осями полос
усиления КМФ; s' - расстояние между полосами усиления
следует, что для всех остальных типов колонн Р/<1, и, следовательно,
эффективность охватывающего усиления меньше.
При частичном усилении железобетонной колонны но ее длине
(рис. 4.9) из-за наличия усиленной и неусиленной областей эффектив­
ность усиления снижается. И, следовательно, Р/ < 1.
Величина коэффициента эффективности усиления рассчитывает­
ся из предпосылки, что эффективность усиления (наличие радиаль­
ных напряжений в бетоне) не достигается в полной мере на участке,
где действует арочный эффект. Как показано на рис. 4.9, арочный эф­
фект действует на участке между лентами усиления и имеет форму
параболы с начальным углом наклона около 45°.
Между двумя лентами усиления площадь эффективно усиленного
ядра A ef определяется по формуле;
л -Л
A‘f ~ 4
■\2
D-—
(4.17)
2
где s = (s - bc) - расстояние между лентами усиления.
Величина Р/ определяется соотношением A ej / A b, где А/, = (Ag - Л ) площадь поперечного сечения конструкции за вычетом площади про­
дольной арматуры As:
■
1-
Р/ =
2D
1 -р
\2
\2
1-
(4.18)
2D
где р — коэффициент армирования конструкции продольной стальной
арматурой.
Гл о в о
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления колон н о б о й м а м и из ко м п ози ц и он н ы х м а т е р и а л о в
103
Как видно из выражения (4.18), величина Р/ всегда меньше едини­
цы, обратно пропорциональна s' и р и прямо пропорциональна диамет­
ру колонны.
При применении для усиления колонн холстов, располагаемых по
спирали к поверхности колонны, эффект усиления снижается, и ради­
альные деформации бетона будут меньше. Величина растягивающих
усилий в композиционном материале Nc принимается постоянной.
Радиальные напряжения в бетоне по высоте колонны при устройстве
обоймы по спирали:
Ц с.
KR ’
(4.19)
где R - кривизна спирали композиционного материала, определяемая
по формуле:
к2 + г2
Я=— — ,
(4.20)
г
где к = Р /2п (Р - шаг спирали, г - радиус колонны).
При охватывании композиционным материалом круглой железо­
бетонной колонны боковое давление на единицу ее длины определяет­
ся но формуле:
Ьсг
Используя зависимости (4.19) - (4.21), получим коэффициент
усиления Р/:
°rjL = _ K D _ :( 4.22)
'
o rc
пD + P
т.е. чем больше шаг спирали, тем меньше эффективность усиления
колонн обоймами.
Необходимо иметь в виду, что усиление обоймами из КМ Ф желе­
зобетонных колонн увеличивает их прочность на изгиб, что является
дополнительным преимуществом. Одна из основных проблем проек­
тирования в данном случае — определение такой толщины обоймы
КМ Ф tc, для того чтобы она могла сопротивляться как изгибающему
моменту, так и сжимающей нагрузке на колонну. Усиление бетона
обоймами увеличивает его прочность на сжатие и способность сопро­
тивляться деформациям. Поэтому при проектировании очень важно
улучшить эффективность усиления увеличением деформаций, кото­
рые может воспринять КМ Ф. А так как композиционные материалы
хуже работают на сжатие, чем на растяжение, то в данном случае осо­
бенно важны требования к их жесткости. В противном случае возмо­
жен риск отслоения К М Ф от поверхности бетона или разрушения ан-
104
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций композиционны м и м а тер и ал ам и
керовки. Наблюдения, проведенные Cuninghame et al [95J, позволили
установить, что для круглых колонн вне зависимости от типа волокон
и адгезива жесткость обоймы должна быть более 320 МПа.
При усилении обоймами колонн нскруглой формы поперечного се­
чения радиальные напряжения будут различаться относительно корот­
кой и длинной сторон. При расчетах используются как осрсдненные
значения радиальных напряжений, так и их экстремальные значения:
для прямоугольных колонн
где h u b — соответственно короткая и длинная стороны прямоуголь­
ной колонны;
для эллипсовидных колонн
(4.24)
где а и b — соответственно большая и малая полуоси эллипса.
Экспериментальные результаты и теоретические модели показыва­
ют, что кривая «напряжение — деформация» усиленного обоймой из
КМ Ф бетона имеет нисходящую ветвь после достижения предельного
состояния В этом случае результирующая бокового давления от внеш­
ней обоймы будет невелика, и поэтому прочность бетона после усиле­
ния Rf,0 в меньшей степени будет отличаться от прочности бетона до
усиления Rh. В расчетном плане это обстоятельство учитывается следу­
ющим образом. Несущая способность центрально сжатой колонны пос­
ле усиления обоймой из композиционного материала в общем случае:
Nу - 8RbAbu + RboA-f + ЯдА.
(4.25)
Для колонн круглой формы поперечного сечения первый член это­
го уравнения отсутствует, так как вся площадь поперечного сечения
бетона в обойме из К М Ф будет эффективно усилена. В колоннах же
прямоуI ольной и квадратной форм поперечного сечения часть его уси­
лена не будет [см. (4.15) по определению А Ьи, а также рис. 4.6 и
рис. 4.7]. В неусиленной части прямоугольных и квадратных колонн
прочность бетона на сжатие может изменяться в широких пределах от расчетного сопротивления сжатию до величины остаточной проч­
ности Rbost = 8 ^ . Значения коэффициента 6, характеризующего отно­
шение остаточной прочности бетона к сто прочности на сжатие, зави­
сят от деформационных свойств самого бетона, наличия добавок в его
составе, особенно пластифицирующих, условий работы бетона в кон­
струкции, агрессивного воздействия окружающей среды. Каких-то
нормативных рекомендаций по его определению не существует. Вели­
Глава
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления ко л он н о б о й м а м и из ко м п ози ц и он н ы х м а т е р и а л о в
105
чина б должна определяться для каждого случая усиления в результа­
те проведения диагностических исследований путем отбора образцов
бетона и их последующего испытания на прессах, позволяющих за­
фиксировать нисходящий участок диаграммы «напряжение - дефор­
мация». В принципе величина коэффициента остаточной прочности
может колебаться от 0 1 до 1 0 Для предварительной оценки несущей
способности усиленной конструкции можно с определенным запасом
рекомендовать принимать б = 0,2 - 0,3, как для хрупких тел.
Одним из важных вопросов, которые необходимо учитывать при
проектировании усиления колонн обоймами из композиционных ма­
териалов, являются закономерности деформирования заключенного в
обойму бетона под нагрузкой. Этой проблеме в последние десятилетия
посвящены многочисленные публикации в научно-технической лите­
ратуре [88] Основной характеристикой бетона, подлежащей исследо­
ванию, является его предельная деформация в условиях объемного
напряженного состояния при заключении в обойму из КМ Ф £Ьо. Мно­
гочисленные модели деформирования заключенного в обойму бетона
разработаны на основании статистической обработки результатов экс­
периментальных исследований. Их концептуальной основой является
высказанная в 1988 году Д. Мандером [81] идея, что предельная сж и­
мающая деформация может быть определена из равенства потенци­
альных энергий в единице объема, накопленных составляющими ком­
понентами системы усиления к моменту разрушения:
Uco=Ubo+Usc- U b ,
(4.26)
где U(n, Ubo, Usc и Ub - соответственно энергии предельного деформи­
рования охватывающей обоймы из композиционного материала или
стали, усиленного этой обоймой бетона, сжатой продольной арматуры
и бетона до усиления.
Наиболее полный анализ существующих аналитико-экспериментальных зависимостей для определения предельных деформаций зак­
люченного в обойму бетона приведен в монографии [88]. В этой же
монографии авторы приводят и полученные ими зависимости для оп­
ределения предельных деформаций бетона, которые можно использо­
вать для практических целей при создании обоймы из композицион­
ных материалов:
на основе углерода КМФУ
— = 1,75 + 10— >
Еь
на основе стекловолокон КМ Ф С
— = 1,75 + 22—
£ь
(4.27)
(4.28)
106
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и а л о м и
Следует учитывать, что эти зависимости разработаны для колонн
круглой формы поперечного сечения и дают несколько заниженные
значения деформаций, что при проектировании усиления обеспечива­
ет большую надежность работы конструкции.
Другой возможной формой разрушения обойм из композицион­
ных материалов является потеря сцепления между отдельными слоя­
ми из-за недостаточной длины их соединения. Этот вид разрушения
является хрупким, что весьма нежелательно во время эксплуатации
усиленной конструкции. Кроме того, возросшая нагрузка на колонну
передается со стальной арматуры на бетон и вызывает появление в
последнем микротрещин. Это в свою очередь уменьшает сцепление
между арматурой и бетоном. Применение же обойм из композицион­
ных материалов, особенно преднапряженных, повышает сцепление
между сталью и бетоном. Однако из-за недостаточной длины соедине­
ния слоев К М Ф в обойме в условиях повышенной нагрузки на колон­
ну и развития трещин может произойти ее хрупкое разрушение.
Длина соединения для различных систем усиления и композици­
онных материалов обычно указывается фирмами-производителями.
но в случае необходимости должна проверяться на практике. Общим
правилом является то, что когда для усиления колонны применяются
два или более слоев КМ Ф, то места соединения слоев должны распо­
лагаться на противоположных концах колонны. М инимальная длина
соединения 200 мм.
Применение обоймы из композиционных материалов позволяет
увеличить несущую способность колонн на действие поперечной
силы. Расчет несущей способности железобетонных конструкций на
действие поперечной силы приведен ранее. Сопротивление бетона и
стальной арматуры рассчитывается согласно требованиям СП 52-1012003. Сопротивление на действие поперечной силы круглых обойм из
КМ Ф определяется по формуле:
Qc = (л/2X - d Е^ср
(4.29)
где d - расстояние между внешним краем обоймы из КМ Ф и центром
растянутой арматуры; еср < 0,004 - расчетная деформация КМФ.
Такое ограничение поперечной деформации связано с тем, что ком­
позиционные материалы имеют линейную диаграмму деформирова­
ния вплоть до разрушения, и в данном случае ее значение адаптирова­
но к деформированию внутренней стальной арматуры.
Во время эксплуатации под действием нагрузки происходит укороче­
ние колонн, а также реализуются радиальные деформации, что может
привести к снижению эффективности усиления. Кроме того, конструк­
ции (например, мостовые) могут испытывать многократно повторяющи­
еся нагрузки, а также возможен разрыв композиционных материалов при
длительном приложении полной постоянной и временной нагрузок.
Глава
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления ко л он н о б о й м а м и из ком п ози ц и он н ы х м а т е р и а л о в
107
Осевое укорочение длины колонны иод действующими на нее на­
грузками возрастает под влиянием радиальных деформаций от сжатых
элементов. Эти деформации с достижением значительных величин мо­
гут создать проблемы при эксплуатации конструкции и даже привес­
ти к ее хрупкому разрушению. Эксплуатационные нагрузки, вызыва­
ющие максимальные деформации сжатия в бетоне, не должны быть
чрезмерными, так как в противном случае из-за непредвиденных об­
стоятельств (пожар, землетрясение, вандализм и т.д.) может произой­
ти разрушение колонны: бетон вследствие объемных деформаций ста­
новится трещиноватым. Для предотвращения возможности возникно­
вения этой ситуации рекомендуется при проектировании ограничи­
вать осевую деформацию сжатия бетона от действия эксплуатацион­
ных нагрузок величиной 0,0035 или воспользоваться рекомендациями,
приводимыми в 12].
Расчет железобетонных колонн, усиленных обоймой из КМФ, на вы­
носливость должен производиться в соответствии с указаниями Строи­
тельных норм и правил [2,3]. При этом напряжения, действующие в ком­
позиционных материалах, должны быть лимитированы. Их значения в %
от предельных значений сопротивления растяжению Rc должны быть
следующими: для КМФУ - 80 %, КМФА - 70 %, КМ Ф С - 30 %.
Разрушение композиционного материала может произойти при
длительном действии полных эксплуатационных нагрузок. Этого типа
разрушения можно избежать, лимитируя уровень напряжений в
КМФ Поэтому уровень напряжений в КМ Ф рекомендуется прини­
мать в % от их предельных значений Rc (для КМФУ - 65 %, КМФА 40 %, КМ Ф С - 55 %). Приведенные ограничения напряжений в ком­
позиционных материалах взяты из литературных источников [96].
Большим преимуществом применения обойм из К М Ф является
минимальное увеличение изгибающих усилий, несмотря на резервы в
улучшении гибкости конструкции. Колонны в результате их усиления
обоймами из композиционных материалов не подвергаются действию
дополнительных внутренних усилий, и этим предотвращается их
преждевременное разрушение.
При использовании для усиления преднанряженных композици­
онных материалов (особенно на основе арамида) в конструкции быст­
ро устанавливается трехосное напряженное состояние. Благодаря это­
му в бетоне увеличиваются сжимающие напряжения без проявления
больших осевых деформаций.
Использование для усиления железобетонных колонн композицион­
ных материалов технологично. Время простоя сооружения (это особенно
важно для мостовых конструкций) значительно уменьшается. К тому же
обоймы из КМ Ф имеют небольшую толщину и требуют меньшего време­
ни для вступления во взаимодействие с остальными расположенны­
ми вблизи строительными конструкциями инженерного сооружения.
108
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и о л а м и
4 .3 . Уси лен и е внецентренно-сж аты х колонн
Ila практике большинство колонн воспринимает как сжимающие
нагрузки, так и нагрузки от действия изгибающего момента при внецентренном расположении сжимающей силы. Сразу необходимо отме­
тить, что при внсцентренном сжатии часть сечения колонны будет вос­
принимать растягивающие усилия, и, естественно, эту часть конструк­
ции невозможно усилить установкой обоймы из композиционных ма­
териалов. Зато в этом случае возможно усиление колонны приклеива­
нием полос композиционного материала в растянутой зоне сечения
аналогично изгибаемым элементам.
В работе [88] приводятся данные по исследованию колонн круглой
формы поперечного сечения со следующими характеристиками: диа­
метр колонны d = 1500 мм, защитный слой бетона для продольной
арматуры составляет 50 мм, кубиковая прочность бетона на сжатие
Rcu = 40 МПа, продольная арматура представлена 32 стержнями диа­
метром 40 мм и прочностью на сжатие Rsc = 460 МПа. Один образец
являлся контрольным и не усиливался обоймой из композиционных
материалов, а два других были усилены: один пятью слоями КМ ФУ, а
другой — десятью слоями. В качестве композиционного материала ис­
пользовался холст на основе углерода фирмы Tonen Forca Towsheets с
предельным сопротивлением растяжению, по данным производителя,
Rcf = 3483 МПа. Толщина одного слоя холста составляет 0,165 мм. На
рис. 4.10 приведены обобщенные кривые, показывающий связь между
несущей способностью колонны при действии изгибающего момента
и осевого сжатия.
Приведенные на рис. 4.10 кривые наглядно демонстрируют пре­
имущества усиления колонн обоймами из композиционных материа­
лов в случае действия центрально приложенной силы. Несущая спо­
собность неусилснной колонны составила Nu = 64780 кН. Охватываю­
щее усиление в случае действия изгибающего момента оказалось куда
менее эффективным, несущая способность неусиленной колонны со­
ставила М и = 10277 кНм. Эффективность усиления возрастает с уве­
личением центрально приложенной силы и количества композицион­
ного материала в обойме. Применение пяти слоев композиционного
материала позволило на 20 % увеличить несущую способность колон­
ны на действие осевой нагрузки и только на 3,8 % на действие изгиба­
ющего момента. При использовании десяти слоев несущая способ­
ность колонны увеличилась соответственно на 41 % и 5,5 %. Такое не­
большое увеличение несущей способности колонны на действие изги­
бающего момента является достоинством при усилении колонн в сей­
смически опасных районах, так как нежелательное увеличение изгибной жесткости конструкции может привести к разрушению рядом рас­
положенных элементов сооружения.
Глава
4. П р о е к т и р о в а н и е усиления к о л он н о б о й м а м и из к о м п ози ц и он н ы х м а те р и а л о в
109
Рис. 4.10. Обобщ енные кривые несущей способности круглой колонны под
действием различных нагрузок
При этом чем больше эксцентриситет приложения нагрузки, тем
больше нейтральная ось стремится за пределы поперечного сечения
конструкции и тем большая часть сечения бетона будет работать на
растяжение. Естественно, эффективность усиления колонн обоймами
из композиционных материалов при этом снижается. Усиление обой­
мами эффективно при увеличении центрально приложенной нагруз­
ки, например при увеличении этажности здания, когда дополнитель­
ная нагрузка передается или но оси колонны или со случайным экс­
центриситетом. Вместе с тем внецентренно сжатые железобетонные
конструкции можно усилить приклеиванием полос композиционного
материала к растянутой грани элемента. Особенно эффективна в дан­
ном случае будет установка полос или лент К М Ф в пазах (см. рис. 5.5),
так как в этом случае наиболее полно используется высокая прочность
композиционного материала на растяжение и исключается возмож­
ность его отслоения от усиливаемой конструкции.
Расчет усиленных внешним армированием композиционными ма­
териалами внецентренно сжатых конструкций производится в соот­
ветствии с действующими строительными нормами [2] с использова­
нием положений по усилению, разработанных для изгибаемых эле­
ментов, и с учетом влияния прогиба конструкций.
I
Г л а в а 5. ОСОБЫ Е С Л У Ч А И
И С П О ЛЬ ЗО В А Н И Я К О М П О З И Ц И О Н Н Ы Х
М А ТЕ Р И А Л О В Д Л Я УСИ ЛЕН И Я
Ж ЕЛЕЗО Б ЕТО Н Н Ы Х К О Н С ТР УК Ц И Й
5 .1 . П р и м ен ен и е пред н ап ря ж ен н ы х ком п ози ц ион н ы х
м а те р и а л о в
В некоторых случаях для усиления изгибаемых железобетонных
конструкций возможно использование предварительно напряженных
композиционных материалов. Теоретическая база для их применения
была разработана Т.С. Triantafillou, М. Dcuring и другими зарубежны­
ми учеными [97, 98]. Применение предварительно напряженных полос
композиционного материала имеет следующие преимущества:
• обеспечивается более жесткое поведение бетона сжатой зоны се­
чения непосредственно после усиления, тем самым увеличивается мо­
мент сопротивления сечения усиливаемой конструкции;
• замедляется образование наклонных трещин в ирионорной час­
ти усиленной конструкции, а в случае образования трещин уменьша­
ется величина их раскрытия. Данное обстоятельство играет суще­
ственную роль для обеспечения качественного сцепления композици­
онного материала с бетоном;
• улучшается эксплуатационное состояние усиливаемой конструк­
ции благодаря меньшему трещинообразованию;
• необходимая степень усиления конструкции достигается приме­
нением лент композиционного материала меньшей площади попереч­
ного еечения по сравнению с ненапряженными материалами;
• при соответствующей анкеровке концевых участков приклеен­
ного преднапряженного композиционного материала можно избежать
его отслоения от усиливаемой конструкции из-за возникновения на­
клонных трещин на приопорных участках;
• в случае применения преднапряженных композиционных мате­
риалов нейтральная ось сечения элемента будет располагаться ниже,
что повышает эффективность работы сечения конструкции;
• преднапряжение КМ Ф значительно увеличивает допустимую
нагрузку на железобетонную конструкцию, при которой внутренняя
рабочая арматура начинает испытывать пластические деформации.
К недостаткам применения преднапряженных композиционных
материалов можно отнести:
• увеличение стоимости и трудоемкости работ по усилению из-за
Глава
5. О с о б ы е сл у ч а и и сп о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а т е р и а л о в ..
111
.Бетон
---------- *—
—
*С>
-Полоса КМФ
Анкер
I
II
Рис. 5.1. Схема применения преднапряженных полос композиционного ма­
териала: а - преднапряжеиие; б - приклеивание; в - анкеровка
Рис. 5.2. Установка для натяж ения полос композиционного материала
усложнения технологии работ и применения дополнительного обору­
дования;
• увеличение продолжительности работ по усилению строитель­
ных конструкций;
• натяжение полосы композиционного материала должно выдер­
живаться до тех нор, пока клеящий состав не наберет достаточной
прочности.
Схематично усиление железобетонной конструкции преднапряженными полосами композиционного материала приведено на
рис. 5.1, а установка для натяжения полос К М Ф — на рис. 5.2.
Необходимо отметить, что высокая степень преднапряжения при­
клеиваемого композиционного материала может привести к значи­
тельным сдвиговым напряжениям в бетоне, особенно на участках, рас­
положенных над концами КМ Ф. Это обстоятельство необходимо учи­
тывать при проектировании системы усиления. Проведенные испыта­
ния [97] показали, что разрушение бетона под концевыми участками
112
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезоб етонны х конструкций композиционны м и м атериалам и
Рис. 5.3. Схема проведения сопоставительны х испытаний
КМ Ф происходит уже при уровне преднапряжения 5 - 6 % от прочно­
сти композиционного материала на растяжение. В то же время и с тех­
нической, и с экономической точки зрения для получения преиму­
ществ, связанных с использованием преднаиряженных композицион­
ных материалов, их уровень натяжения должен составлять примерно
50 % от прочности на растяжение, т. е. быть на порядок выше. Такой
уровень преднапряжения КМ Ф без разрушения бетона над концевы­
ми участками композиционного материала может быть достигнут
только при использовании специальных способов анкеровки, заключа­
ющихся в вертикальном охватывании приклеенной полосы КМ Ф холстовыми композиционными материалами.
Университетом г. Фрибур (Ш вейцария) были проведены сравнитель­
ные испытания четырех типов железобетонных балочных плит пролетом
6 м, шириной 1 м и высотой 0,22 м. Все плиты были армированы в растя­
нутой зоне шестью продольными стержнями диаметром 12 мм, хомуты
поперечной арматуры диаметром 8 мм устанавливались с шагом 150 мм.
Схема испытаний образцов и их геометрические параметры представле­
ны на рис. 5.3. Первый образец (сопоставительный) представлял собой
обыкновенную железобетонную плиту. Три следующих образца были
усилены но всей длине двумя полосами ламината CFK 150/2000 фирмы
«S&P». Ширина полосы ламината Ьс= 80 мм, толщина tc = 1,2 мм. При
этом второй образец был усилен ненапряженными полосами, третий
преднапряжсн напряжениями 640 МПа с удлинением 4,0 °/оо и четвер­
тый напряжениями 960 МПа с удлинением 6,0 °/оо- Результаты испыта­
ний образцов представлены в табл. 5.1 и приведены на рис. 5.4
Как следует из таблицы, применение для усиления плиты даже неиреднапряженного композиционного материала увеличило ее несу­
щую способность на 32 %, а использование преднапряженных полос с
различной степенью преднапряжения позволило увеличить несущую
способность плиты при действии изгибающего момента на 82 % и 93 %
соответственно. Использование преднапряженных композиционных
материалов для усиления железобетонных элементов уменьшает про­
гибы конструкции (см. рис. 5.4) и повышает ее трещиностойкость.
Глава
113
5. О с о б ы е сл у ч а и и сп о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а те р и а л о в ...
О
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
П р о гиб , мм
Рис. 5.4. Результаты сопоставительного испы тания плит
Таблица 5.1. Результаты испытаний плит на изгиб
№ образца
Разрушающая нагрузка, кН
LC1
LC2 CFK
LP3 CFK 4 % „
LP4 CFK 6 % о
16,4
24,0
35,3
37,9
Разрушающий момент
кН-M
%
82,6
109,4
150,1
159,4
100
132
182
193
Применение преднапряженных композиционных материалов особен­
но эффективно для усиления большепролетных мостовых конструк­
ций при возрастании интенсивности движения или коррозии суще­
ствующего бетона и арматуры.
Преднапряжение композиционного материала при усилении ко­
лонн (активное охватывающее усиление с созданием объемного напря­
женного состояния в материале усиливаемой конструкции) достигает­
ся путем натяжения его на упоры в процессе обматывания колонны или
применением обычных обойм композиционных материалов в сочетании
с использованием расширяющегося строительного раствора или эпок­
сида, нагнетаемых в пространство между колонной и обоймой.
5.2. У стан овка ко м п о зи ц ио н н ы х м а тер и а л о в в п а за х
Одним из перспективных направлений использования композици­
онных материалов для усиления строительных конструкций является
не приклеивание их к поверхности бетона, а установка полос в специ­
ально подготовленные щели или пазы (рис. 5.5). Таким способом мож-
114
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций композиционны м и м атериалам и
Рис. 5.5. Усиление железобетонных колонн установкой К М Ф У в пазах
Рис. 5.6. Сравнительные сечения испытуемых балок
но усиливать как изгибаемые железобетонные конструкции типа плит и
балок, так и центрально и внецентренно сжатые элементы. М. Blaschko
и К Zilch [99] были проведены исследования работающих на изгиб ба­
лок, усиленных установкой композиционного материала в пазы. Ис­
пользование полос в пазах значительно увеличивает их сцепление с
бетоном по сравнению с приклеиванием К М Ф к бетонной поверхнос­
ти. В них возрастают растягивающие напряжения и более полно ис­
пользуется работа бетона сжатой зоны. Помимо этого в пазах компо­
зиционные материалы защищены от внешних воздействий. Увеличи­
вается поверхность соприкосновения полос К М Ф с бетоном, что сни­
жает величину раскрытия трещин в усиливаемой конструкции (см.
формулу (3.25».
На рис. 5.6 приведены сечения балок, усиленных полосами компо­
зиционного материала, при их испытаниях на изгиб, а на рис. 5.7 —ре-
Глава
115
5. О с о б ы е с л у ч а и и сп о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а т е р и а л о в ...
10
20
30
40
50
60
70
80
90
П р о г и б в с е р ед и н е п р о л ета, м м
а*
ЕЁ
ЗЕ of
§|
>5 8.
*m 1Р -
S
о
П р о ги б в с е р е д и н е п р о л е та, м м
Рис. 5.7. С равнительные результаты испы таний балок серий А и В
зультаты испытаний. Длина каждой балки составляла 2,5 м, каждая
балка загружалась сосредоточенной силой, приложенной в середине
пролета. Д ля усиления балок использовался композиционный матери­
ал на основе углеродных волокон КМФУ шириной Ьс = 50 мм и тол­
щиной tc = 1,2 мм (площадь КМ ФУ составляет А с = 50x1,2 = 60 мм2).
Для того чтобы площадь композиционного материала оставалась не­
изменной при его использовании в пазах, его разрезали по длине на
две полосы шириной 25 мм каждая, которые и закреплялись в сфор­
мированных полостях.
116
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
При испытаниях сопоставительных балок А1 и В1 (полоса КМФУ
приклеена к внешней поверхности бетона) разрушение конструкции
наступало вследствие отслоения композиционного материала от бето­
на. При испытании балки А2 разрушение полосы произошло в щели
под действием растягивающих напряжений. В балке В2 из-за незначи­
тельного поперечного армирования разрушение бетона произошло под
воздействием поперечных сил.
По результатам испытаний балок серии А (рис. 5.7, а ) можно сде­
лать вывод, что при расположении композиционного материала в па­
зах разрушающая нагрузка увеличивается более чем в два раза (с 12
до 26 кН м) В первую очередь это вызвано более полным использо­
ванием прочности композиционного материала на растяжение. Ис­
пытания балок серии В (рис. 5.7, б) показывают аналогичную карти­
ну деформирования под нагрузкой. Разрушающая нагрузка состави­
ла 52 кН-м При этом более чем в 3 раза возрастают допустимые про­
гибы конструкции, при которых не происходит отслоения полосы
композиционного материала.
5 .3 . П р и м е н ен и е строительны х растворов при установке
ком п о зи ц и о н н ы х м а тер и а л ов
Усиление строительных конструкций с помощью композиционных
материалов имеет целый ряд преимуществ по сравнению с другими
способами усиления Однако еще одной важнейшей составляющей
системы усиления композиционными материалами является адгезив
или клей, с помощью которого композиционный материал присоеди­
няется к усиливаемой конструкции. Как было рассмотрено в первой
главе, в качестве адгезива наиболее широкое распространение получи­
ли органические клеевые составы на основе эпоксида, которые при
всех своих достоинствах имеют целый ряд недостатков:
• неудовлетворительное поведение эпоксидных составов при тем­
пературе выше температуры стеклования (55 - 60 С). При обычных
условиях эксплуатации [3] эта температура не достигается, и усилен­
ные конструкции находятся в работоспособном состоянии. Однако
риск возникновения пожара требует дополнительных мер защиты от
высоких температур что может привести к значительному снижению
допустимого уровня усиления конструкций;
• ухудшение паропроницаемости конструкций При оставлении
для этих целей неусиленных участков снижается эффективность са­
мого усиления, особенно при создании обойм из композиционных
материалов;
• недостаточная сочетаемость эпоксидных адгезивов по своим де­
формационным характеристикам с поверхностным слоем бетона, что
снижает эффективность системы усиления;
Глава
5. О с о б ы е с л у ч а и и с п о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а т е р и а л о в ..
117
• нанесение эпоксидных адгезивов на влажные поверхности в ус­
ловиях низких температур затруднено и требует специальных соста­
вов и технологий;
• хотя современные эпоксидные составы содержат меньшее коли­
чество растворителя, возможна их индивидуальная непереносимость у
рабочих при ручном нанесении;
• сложность диагностирования фактического состояния усилен­
ных железобетонных конструкций, скрытых под слоями адгезива и
композиционного материала, после воздействия особых нагрузок (на­
пример, после землетрясения).
Для устранения этих недостатков используют несколько техничес­
ких решений, находящихся в стадии экспериментальной проверки и
опытного применения [100, 101, 102]. К ним можно отнести замену
органического эпоксидного адгезива на неорганический (например, на
основе цемента), механическое присоединение полосы композиционно­
го материала к бетонной поверхности при помощи заанкерованных в
теле бетона прижимных пластин или специальных гвоздей и приклеи­
вание только концевых участков композиционного материала при со­
здании обоймы. Использование тканевых композиционных материалов
в качестве арматуры известно с начала 1980-х годов [103], а последние
5 лет этому вопросу при новом строительстве уделяется значительное
внимание [104, 105]. Проведенные экспериментальные исследования
поведения тканевых композиционных материалов, присоединенных к
усиливаемой конструкции с помощью строительных растворов на осно­
ве неорганических вяжущих, показали достаточно высокую эффектив­
ность такой системы усиления, хотя и уступающую системам усиления
с эпоксидной матрицей [100]. Основная трудность заключается в недо­
статочной пенетрации и пропитке холстов КМФ, и в отличие от эпок­
сидных составов неорганические составы не обволакивают отдельные
волокна композиционного материала и не обеспечивают хорошей связи
и плотного контакта между волокнами и матрицей.
В этой связи значительный интерес представляют эксперименталь­
ные исследования, проведенные под руководством Triantafillou [100].
Были исследованы различные схемы создания обоймы из тканевых
композиционных материалов - с помощью эпоксидных адгезивов и
строительных растворов на основе цемента, а также анкеровкой только
концевых участков обоймы двумя слоями холстов КМ ФУ с эпоксидной
матрицей. Цилиндрические образцы с обоймами из композиционных
материалов приведены на рис. 5.8, а образцы квадратной формы попе­
речного сечения с различными схемами создания обоймы — на рис. 5.9.
Тканевый двунаправленный композиционный материал на основе
углеродных волокон, используемый для усиления, показан на рис. 5.10.
Прочность на растяжение этого материала составляла 3350 МПа, мо­
дуль упругости 225 000 МПа, расчетная проектная толщина - 0,047 мм.
118
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
150 мм
1 2 0 мм
Клеевой состав
или строительный
р аствор
3 0 0 мм
Рис. 5.8. Бетонные цилиндрические образцы с обоймами из КМФУ (а) и их
поперечное сечение (б)
в
250 мм
Анкеровка
конца обоймы
двумя слоями
приклеенных
лент из
холстового
материала
700 мм
Спиральная
обойма из
неприклеенных лент
Рис. 5.9. Спиралевидная обойма из тканевого композиционного материала
образца квадратной формы поперечного сечения: а - установка нечетных
слоев обоймы; б - установка четных слоев обоймы; в - обойма с анкеровкой
концевых участков
В качестве неорганической матрицы использовался строительный
раствор на основе цемента с добавлением полимера в соотношении
10:1 по весу и водоцементным отношением 3:1. Такой раствор был до­
статочно пластичен и хорошо наносился на поверхность образцов.
Прочность на сжатие раствора в возрасте 28 суток составила
30,61 МПа, на изгиб - 4,24 МПа.
Технология создания обоймы из композиционного материала и
строительного раствора состояла в следующем. На смоченную поверх-
Глава
5 О с о б ы е с л у ч а и и сп о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а те р и а л о в ...
119
Рис. 5.10. Тканевый композиционный материал: а - внешний вид; 6 структура
ность бетонного образца наносился слой раствора толщиной пример­
но 2 мм, затем к нему подносился слой ткани композиционного мате­
риала и утапливался в нем таким образом, чтобы раствор проникал
через все отверстия между ровницами из углеродного волокна. При
установке следующего слоя обоймы процесс повторялся. Суть приня­
той технологии — нанесение каждого последующего слоя строитель­
ного раствора до того момента, пока предыдущий слой окончательно
не схватывался.
Методикой проведения экспериментальных исследований предус­
матривалось сопоставление закономерностей деформирования цилин­
дрических образцов с обоймами из различного количества слоев ком­
позиционного материала на основе эпоксидного адгезива и строитель­
ного раствора (серия А; К - контрольный образец; Э - эпоксидный
адгезив; СР - строительный раствор; 2,3,4 - количество слоев
КМФУ). Диаграммы деформирования образцов серии А представле­
ны на рис. 5.11.
В следующей серии образцов прямоугольной формы поперечного
сечения (серия Б) также исследовались закономерности их деформи­
рования с обоймами из различного количества слоев композиционно­
го материала на основе эпоксидного адгезива и строительного раство­
ра. Интересным дополнением в этой серии испытаний были образцы,
в которых композиционный материал не приклеивался к образцу по
всей длине, а производилась анкеровка только концевых участков дву­
мя слоями холстового композиционного материала на эпоксидном вя­
жущем (см. рис. 5.9, в). Диаграммы деформирования образцов серии Б
представлены на рис. 5.12.
Анализируя графики деформирования цилиндрических образцов
серии А, можно сделать следующие выводы:
120
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атери алам и
Д еф орм ация
Рис. 5.11. Диаграммы «напряжение - деформация» для образцов серии А:
а — с обоймой на основе эпоксидного адгезива; б — с обоймой на основе
строительного раствора
• обоймы из тканого композиционного материала, заключенные в
строительный раствор, существенно повышают прочность на сжатие и
деформативность образцов колонн. Возрастание прочности на сжатие
тем больше, чем больше слоев композиционного материала использу­
ется для создания обоймы, а также зависит от прочности строительно­
го раствора, определяющей характер разрушения обоймы (в результа­
те потери сцепления обоймы с образцом или в результате разрушения
композиционного материала);
• сравнение между собой деформирования обойм из композици­
онного материала на основе эпоксидного клеевого состава и строи-
Глава
5. О с о б ы е сл у ч а и и с п о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а т е р и а л о в ...
121
Д еф орм ация
Рис. 5.12. Диаграммы «напряжение - деформация» для образцов серии Б
а — с обоймой на основе эпоксидного адгезива; б —с обоймой на основе стро­
ительного раствора; в — с обоймой только с анкеровкой концевых участков
тельного раствора показывает, что обоймы на основе последнего име­
ют несколько меньшую эффективность усиления (примерно 80 % для
прочности на сжатие и 50 % для предельных деформаций). Эти цифры
являются относительными и в значительной степени зависят от типа
строительного раствора и могут быть изменены путем модификации
соответствующих компонентов раствора;
• весьма существенным следует считать то обстоятельство, что раз­
рушение обойм из композиционного материала на основе строительного
раствора происходит не так внезапно, как обойм на основе эпоксидного
122
В н е ш н е е о р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
адгезива. Об этом свидетельствует плавный перегиб кривых деформиро­
вания при переходе от допредельной стадии деформирования к запре­
дельной (см. рис. 5.11, б) в отличие от резкого перегиба (см. рис. 5.11, а).
В результате резко снижается вероятность внезапного разрушения обой­
мы на основе строительных растворов с неорганическим вяжущим.
По результатам испытаний образцов квадратной формы попереч­
ного сечения можно сделать следующие выводы:
• сравнение графиков деформирования образцов с обоймами на
основе эпоксидного адгезива, строительного раствора и только с анкеровкой концевых участков показывает, что эффективность усиления
по сравнению с образцами цилиндрической формы наиболее суще­
ственно снижается именно при использовании эпоксидного клеевого
состава (примерно на 82 % но сравнению с 60 % при использовании
строительного раствора). При этом, конечно, надо говорить только о
качественной картине из-за различных размеров сравниваемых образ­
цов. Прочность на сжатие образцов с различными обоймами оказалась
сопоставимой (максимальное отличие - 9 %), а вот предельная осевая
деформация оказалась выше у образцов с обоймой на основе эпоксид­
ного адгезива. Причем при использовании строительных растворов с
увеличением слоев композиционного материала эта разница возросла
с 5 до 13 %, а для образцов с обоймами только с анкеровкой концевых
участков при увеличении слоев с 2 до 4 она снизилась с 36 до 13 %;
• эффективность создания спиральной обоймы из композицион­
ных материалов с анкеровкой только концевых участков повышается
но мере увеличения слоев композиционного материала. При этом с
увеличением количества слоев прочностные свойства усиленного об­
разца возрастают незначительно (4 %), а деформационные свойства
возрастают более чем в 2 раза за счет увеличения запредельной состав­
ляющей (см. рис. 5.12, в) общей деформации.
Этими же исследователями [106] были выполнены эксперименталь­
ные исследования по использованию композиционных материалов в со­
четании с неорганическими вяжущими для усиления приопорных
участков железобетонных балок на действие поперечной силы. Исполь­
зовались тканевые композиционные материалы и строительные раство­
ры с физико-механическими характеристиками, аналогичными выше­
рассмотренным. Усиление концевых участков производилось по всему
периметру конструкции - охватывающее усиление на рис. 3.7.
Результаты экспериментальных исследований позволили сделать
авторам весьма важные выводы о значительном улучшении работы
усиленной конструкции на восприятие поперечной силы. Так, исполь­
зование для усиления двух слоев композиционной ткани в сочетании
со строительным раствором позволило увеличить несущую способ­
ность конструкции на действие поперечной силы более чем на 60 кН
по сравнению с контрольным неусиленным образцом и предотвратить
Глава
5. О с о б ы е сл у ч а и и сп о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а т е р и а л о в .
123
внезапное сдвиговое разрушение образца. Разрушение конструкции в
этом случае происходило от действия изгибающего момента. Степень
усиления конструкции в этом случае оказалась такой же, как и при ее
усилении традиционным методом с использованием композиционно­
го материала на эпоксидной матрице.
Использование одного слоя ткани из композиционного материата
в сочетании со строительным раствором увеличило несущую способ­
ность конструкции несколько меньше - на 40 кН, но в данном случае
эта степень усиления оказалась на 55 % меньше, чем при использова­
нии традиционной технологии на основе эпоксида. Однако разруше­
ние конструкции также произошло не от действия поперечной силы, а
от изгибающего момента.
Таким образом, можно констатировать, что использование различ­
ных неорганических вяжущих при создании обойм из композицион­
ных материалов для усиления колонн является весьма перспективным
направлением и в будущем позволит избежать недостатков, присущих
обоймам па основе эпоксидных адгезивов. Весьма многообещающим
направлением выглядит и создание обойм с их присоединением к ко­
лонне не по всей длине, а только с анкеровкой концевых участков.
5.4. Уси лени е строительны х конструкций в сейсмически
опасных р а й о н а х
Обеспечение безопасной эксплуатации уже существующих зданий
и сооружений является особенно актуальным в сейсмически опасных
районах. В последние десятилетия в связи с происшедшими крупными
землетрясениями в Армении (Спитак, 1988), США (Loma Prieta, 1989;
Northridge, 1994), Японии (Kobe, 1995), Греции (Athens, 1995), Турции
(Kocaeli, 1999), России (Сахалин, 1995) большое внимание уделяется
как пересмотру правил проектирования и строительства в сейсмически
опасных районах, так и разработке систем защиты от сейсмических воз­
действии уже построенных в этих районах зданий и сооружений.
На территории Советского Союза в XX веке произошло около
71000 землетрясений. В России значительная часть территорий (А л­
тай, Бурятия, Камчатка, Сахалин, Северный Кавказ) расположена в
зонах сейсмической активности. Тем более в последние годы на Кам­
чатке, Курильских островах и Сахалине опасность сильных (с магни­
тудой более 7 баллов) землетрясений выросла в три раза. А на Кавказе
ожидаются землетрясения с магнитудой выше 6 баллов.
Между тем действующие в России СН иП ы по строительству в
сейсмических районах были приняты еще в 1981 году [107] Поэтому
вполне обоснованы действия местных органов власти по внедрению в
практику проектирования и строительства новых территориальных
строительных норм, как, например, в Краснодарском крае [108]. Одна-
124
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и а л а м и
Рис. 5.13. Способы увеличения способности колонн к поглощению энергии
сейсмических волн
ко проблему предохранения уже существующих зданий и сооружений
от сейсмических воздействий введение новых правил проектирования
и строительства не решает.
Наиболее уязвимым строительным элементом, подвергающимся
воздействию сейсмических волн, являю тся вертикальные конструк­
ции, и прежде всего колонны зданий и сооружений. При этом при
сейсмических воздействиях первостепенное значение приобретает не
несущая способность строительной конструкции, а ее способность к
поглощению энергии сейсмических волн.
Первые экспериментальные исследования по использованию ком­
позиционных материалов для улучшения сопротивления колонн сейс­
мическому воздействию были проведены в Японии в середине 80-х
годов прошлого века [109] В дальнейшем M atsuda et al. [110] было
классифицировано два способа повышения работоспособности ко­
лонн мостовых конструкций композиционными материалами в усло­
виях действия сейсмических волн. Первый способ направлен на уве­
личение несущей способности колонн путем приклеивания продоль­
ных полос композиционного материала, а второй способ заключается
в повышении деформационных свойств колонны путем создания
обойм из композиционных материалов либо по всей длине колонны,
либо только в зонах образования пластического шарнира или соеди­
нения выпусков арматуры фундамента с продольной арматурой кон­
струкции. Оба способа позволяют повысить способность конструкций
к поглощению энергии (рис. 5.13). В последующие годы совершен­
ствовались оба способа усиления колонн на действие сейсмической
нагрузки и развивались методы расчета и проектирования [111 - 113].
Преимущественное развитие получил способ усиления колонн заклю­
чением их в обойму из композиционных материалов, а первый способ
Глава
125
5. О с о б ы е с л у ч а и и с п о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а т е р и а л о в ...
Таблица. 5.2. Сравнительное увеличение действующих в колонне усилий (%)
Форма
колонны
Круглая
Прямоугольная
Увеличение
усилия
Продольная
Поперечная
Продольная
Поперечная
сила
сила
сила
сила
Стальная
обойма
Наращивание
бетона
Обойма
из КМФ
1 0 -2 0
2 0 -4 0
2 0 -4 0
4 0 -7 0
2 0 -5 0
2 5 -7 5
2 0 -5 0
2 5 -7 5
0 -5
0 -5
0 -1 0
0 -5
в основном применяется в том случае, если существующая железобе­
тонная конструкция имеет недостаточное продольное армирование.
В результате усиления колонн обоймой из композиционных матери­
алов их жесткость на изгиб увеличивается, из-за чего возрастают дей­
ствующие в них внутренние усилия. Это обстоятельство должно прини­
маться во внимание при проектировании. Увеличение действующих в
колонне внутренних усилий зависит от принятого метода усиления, ха­
рактеристик композиционного материала и формы колонны. В табл. 5.2
представлено увеличение действующих в колонне усилий в зависимос­
ти от принятого способа усиления (в % к ранее действующим усилиям).
Как видно из табл. 5.2, во всех случаях применение для усиления
колонн обойм из композиционных материалов вызывает меньшие уве­
личения внутренних усилий по сравнению с остальными способами
усиления, принятыми для улучшения способности колонн к поглоще­
нию энергии сейсмических волн, - заключением их в стальную обой­
му или увеличением сечения при помощи наращивания слоя бетона
(в опалубке или торкретированием).
Успешный опыт усиления железобетонных колонн на сейсмичес­
кие воздействия с помощью композиционных материалов приводится
в статье [114]. Колонны семиэтажного отеля в Лос-Анджелесе были
приведены в аварийное состояние диагональными трещинами, воз­
никшими в результате землетрясения силой 7,5 балла в июне 1992 г.
Эпицентр землетрясения находился на расстоянии 175 км от здания.
Колонны при ремонте были заключены в обойму из холстовых компо­
зиционных материалов на основе стекловолокон, что позволило уве­
личить предельно допустимые деформации бетона. Ремонт здания
отеля был закончен буквально за несколько недель до сильного земле­
трясения в г. Нортридже в 1994 г., и усиленные обоймой из К М Ф С
колонны при землетрясении не пострадали.
Во время землетрясения колонны зданий и сооружений испытыва­
ют циклические боковые воздействия волнового характера дополни­
тельно к постоянной центрально (или внецентренно) приложенной вер­
тикальной нагрузке. При этом наиболее часто встречающимися типами
разрушений будут разрушение от действия поперечных сил, разруше­
ние в зоне возникновения пластического шарнира, разрушение в месте
126
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а те р и о л о м и
анкеровки стержней продольной арматуры колонны с фундаментными
и разрушение в месте обрыва продольной арматуры [ 1 1 1 , 115].
Наиболее опасным является разрушение колонны под действием до­
полнительных поперечных сил, возникающих от действия поперечных
сейсмических волн. Такое разрушение начинается с появления наклон­
ных диагональных трещин в бетоне, которые приводят к отслоению за­
щитного слоя бетона и нарушению поперечной арматуры, а затем к прак­
тически мгновенному хрупкому разрушению продольной арматуры.
Обычно это происходит при недостаточном для восприятия сейсмичес­
ких воздействий внутреннем продольном и поперечном армировании.
Другим часто встречающимся типом разрушения при сейсмичес­
ких воздействиях является разрушение в плоскости действия макси­
мального изгибающего момента в зоне возможного образования плас­
тического шарнира. Обычно этот тип разрушения встречается на кон­
цах колонны и охватывает незначительную область. В этом случае так­
же происходит отслоение защитного слоя бетона с последующим де­
формированием и разрушением поперечной и продольной арматуры
колонны. Однако в данном случае перед разрушением происходят зна­
чительные неупругие деформации конструкции, и в силу этого такой
тип разрушения является менее опасным. Создание обоймы из компо­
зиционных материалов препятствует отслоению защитного слоя бето­
на и позволяет увеличить пластические деформации колонны.
Проведенные за последние годы многочисленные эксперименталь­
ные исследования деформирования колонн, заключенных в обойму из
композиционных материалов, под действием постоянных и цикличес­
ких нагрузок позволили установить качественную картину их дефор­
мирования и разрушения в зависимости от принятых композиционно­
го материала и схемы усиления. Однако этих исследований пока недо­
статочно для строгого аналитического анализа предельного состояния
усиленной конструкции при воздействии сейсмических волн [8 8 ]
Поэтому получаемые зависимости для определения предельных де­
формаций бетона в обойме из композиционных материалов носят в
основном эмпирический характер, но являю тся весьма надежными
для определения необходимой толщины обоймы из КМ Ф t0 при том
или ином характере разрушения. Нижеприводимые зависимости взя­
ты из монографии [116].
При усилении колонн с целью повышения их устойчивости при
изгибе увеличиваются предельные деформации бетона колонны
(рис. 5.13), которые можно определить по следующим зависимостям:
еЬо = 0,004 +
£ Ьо
-Г Л п п л
=0,004+
2 5ll R £
ои ои
Rbo
1 -2 5 ^ с Е о и % и
-
к Ьо
для круглых колонн,
(5.1)
_ для прямоугольных колонн.
(5.2)
Глова
5. О с о б ы е сл у ч а и и с п о л ь зо в а н и я к о м п о з и ц и о н н ы х м а т е р и а л о в ...
127
Коэффициент армирования колонн композиционным материалом
4 tco
рс определяется для круглых колонн по формуле Рс - ~рг, а для прямоугольных колонн — рс = 2 tco —
. Из этих зависимостей следуют
формулы для определения необходимой толщины обоймы из компо­
зиционного материала:
(5.3)
t
-0,0 04)R hobh
0 ,4 ^
— для прямоугольных колонн.
(5.4)
Как следует из вышеприведенных зависимостей, гораздо эф ф ек­
тивнее в данном случае будет усиление круглых колонн, на которое
потребуется примерно в два раза меньше композиционного материа­
ла. Экспериментальные исследования показывают, что разрушение
конструкции в большинстве случаев будет определяться предельными
деформациями композиционного материала (е№). Следовательно,
предпочтительнее использование материалов на основе стекловоло­
кон, имеющих большие предельные деформации, чем арамидные и уг­
леродные композиционные материалы (4,0—4,5 % против 1,7—2,5 %).
По высоте колонны длина обоймы должна быть не менее ее диаметра
и не более четверти расстояния от сечения, где действует максимальный
изгибающий момент, до сечения, где он равен нулю. Если колонна защем­
лена только одним концом, то длина обоймы должна быть не более чет­
верти высоты колонны. Такое ограничение длины обоймы имеют, чтобы
не допустить излишнего увеличения в колонне внутренних усилий.
Если необходимо усилить только место соединения выпусков фун­
даментной арматуры с продольной арматурой колонны, то целесообраз­
но длину обоймы принимать равной длине соединения и использовать
для усиления композиционный материал на основе арамидных воло­
кон, который при сравнительно больших предельных деформациях
имеет модуль упругости выше, чем материал на основе стекловолокон.
Если определяющим при землетрясении будет возможное разру­
шение колонны под действием возникающих дополнительных попе­
речных сил, особенно при недостаточном поперечном армировании, то
поперечную силу, воспринимаемую обоймой из композиционных ма­
териалов, можно определить по зависимостям:
Q c
=
~
t c o R o u R > c t8 ®
— для круглых колонн;
Qc = 2tcoRouhctgQ — для прямоугольных колонн,
(5.5)
(5.6)
128
В н е ш н е е а р м и р о е о н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Таблица 5.3. Сравнение способов усиления колонн
Способ усиления
Стальной обоймой
Наращиванием бетона
Обоймой из КМФ
Увеличе­
ние
веса
конст­
рукции
+
Измене­
Увеличе­
ние
ние
Радиаль­
размеров
внутрен­ Трудоем­ Коррозия
ное
кость
конст­ давление
них
рукции
усилий
------------о
+
+
++
+
++
Примечание: —плохо;---- очень плохо; о — отсутствует; + хорошо; ++ очень хорошо.
где h - длина стороны колонны в плоскости действия поперечной
силы; и Н ~ Н ~ 35° - угол между наклонной трещиной и продольной
осью колонны.
При усилении на действие поперечной силы на применяемый компо­
зиционный материал накладывается жесткое ограничение по величине
допустимых деформаций: 0,2 - 0,3 %. Поэтому в данном случае наиболее
оптимальным решением будет использование композиционных материа­
лов на основе углеродных волокон с высоким модулем упругости (см.
табл. 1.1 и 1.5). Обойма из КМ Ф при невысокой прочности колонны по
наклонным сечениям должна располагаться в области возможного воз­
никновения пластического шарнира и иметь длину для круглых колонн
не менее 2D, а для прямоугольных колонн — не менее 2 h.
Сравнение различных способов усиления колонн на действие
сейсмической нагрузки приведено в табл. 5.3.
Данные табл. 5.3 наглядно демонстрируют преимущества усиления
колонн обоймами из композиционного материала по сравнению с дру­
гими способами усиления для снижения негативных последствий воз­
действия сейсмических волн. Большим преимуществом применения
обойм из КМ Ф является минимальное увеличение изгибающих уси­
лий, несмотря на существующие резервы в улучшении гибкости конст­
рукции. Колонны в результате усиления их обоймами КМ Ф не подвер­
гаются действию дополнительных внутренних усилий, и этим предотв­
ращается их преждевременное разрушение. При использовании для
усиления преднаиряженных композиционных материалов (особенно на
основе арамида) в конструкции быстро устанавливается трехосное на­
пряженное состояние. Благодаря этому в бетоне увеличиваются сжима­
ющие напряжения без проявления больших осевых деформаций.
Применение для усиления железобетонных колонн композиционных
материалов технологично. Время простоя сооружения (это особенно важ­
но для мостовых конструкций) значительно уменьшается. К тому же
обоймы из КМ Ф имеют небольшую толщину и требуют меньше времени
для вступления во взаимодействие с остальными расположенными вбли­
зи строительными конструкциями инженерного сооружения.
I
Г л а в а 6.
ТЕ Х Н О Л О ГИ Я УСИ ЛЕН И Я
К О Н С ТР У К Ц И Й композиционными
М А ТЕ Р И А Л А М И
6.1. Технические и о рган изац ио н н ы е требования
по обеспечению качества системы усиления
Все материалы, применяемые для усиления конструкций, прохо­
дят соответствующую проверку на предмет их качества. Приемку ком­
позиционных материалов и клея осуществляет отдел контроля каче­
ства предприятия-изготовителя.
Пластины композиционного материала на основе углеродных во­
локон изготавливаются в виде лент. Приемку угленластиковых лент
производят партиями, каждая из которых состоит из определенного
количества катушек ленты одного тина, одной марки и одного способа
производства, оформленного одним документом о качестве.
Приемку холстовой ткани также производят партиями, каждая из
которых состоит из количества полотен определенного типа и одного
способа производства, оформленною одним документом о качестве.
Приемку клеев производят партиями. Партией считается клей од­
ной марки, изготовленный но одному технологическому режиму, од­
ной рецептуре в течение смены, суток или многосуточного технологи­
ческого процесса.
Каждую партию сопровождают документом о качестве, в котором
содержатся:
• наименование предприятия-изготовителя;
• дата оформления документа о качестве;
• номер партии;
• наименование продукции;
• количество катушек в партии (для углепластиковых лепт);
• количество полотен в партии (для тканых полотен);
• результаты испытаний;
• штамп и подпись отдела контроля качества предприятия - изго­
товителя компонентов внешнего армирования.
Приемку конструкции внешнего армирования бетонной поверхно­
сти осуществляет отдел контроля качества предприятия-потребителя.
При получении заказчиком элементов системы усиления от пред­
приятия-изготовителя первоначально осуществляется входной конт­
роль поставляемых материалов путем проверки маркировок, целост­
ности тары, внешнего вида углепластиковых элементов, а также нали­
130
В н е ш н е е о р м и р о в о н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м о те р и а л о м и
чия сертификатов на данные материалы. Входному контролю подле­
жит 1 0 0 % продукции.
При получении неудовлетворительных результатов испытаний
хотя бы но одному из показателей проводятся повторные испытания.
Результаты повторных испытаний распространяются на всю партию.
Надежность работы конструкции внешнего армирования опреде­
ляется качеством каждого элемента этой конструкции. В связи с этим
необходимо определять физико-механические и технологические па­
раметры как углепластиковых элементов, так и клеев для их наклейки
на железобетонные конструкции.
Размеры углепластиковых лент (ширина, толщина) проверяются в
соответствии с требованиями ГОСТ 26433.1 и с применением измери­
тельных инструментов необходимой точности. Размеры тканых поло­
тен проверяют по ГОСТ 29104.1 и ГОСТ 29104.2.
Цвет и наличие дефектов в партии углепластиковых лент прове­
ряются в соответствии с ГОСТ 24105, а в партии холстовой ткани визуально.
Прочностные характеристики угленластиковых лент и холстовой
ткани определяются:
• прочностью на разрыв;
• модулем упругости;
• относительным удлинением при разрыве.
Испытания углепластиковых лент выполняются в соответствии с
требованиями ГОСТ 14359. Прочность на разрыв, модуль упругости и
относительное удлинение при разрыве определяются по ГОСТ 25.601.
Отбор проб для испытаний тканых полотен производится по
ГОСТ 29104.0. Прочность на разрыв, модуль упругости и относи­
тельное удлинение при разрыве холстовой ткани определяются по
ГОСТ 29104.4.
Характеристики клеев определяют:
• но адгезии к бетонной поверхности;
• по плотности в отвержденном состоянии;
• по прочности при сдвиге но бетону;
• по прочности на растяжение в отвержденном состоянии;
• но прочности па сжатие в отвержденном состоянии;
• по модулю упругости;
• по коэффициенту температурного расширения.
Адгезия клея к бетонной поверхности определяется по ГОСТ 14760.
Плотность в отвержденном состоянии — по ГОСТ 12730.1.
Прочность клея при сдвиге — по ГОСТ 14759, а прочность на сжа­
тие — но ГОСТ 10180. Модуль упругости — по ГОСТ 26454.
Прочность на растяжение в отвержденном состоянии определяется
на седьмые сутки набора клеем прочности механическим методом по
ГОСТ 26589 или неразрушающими методами контроля по ГОСТ 22690.
Глава
6. Т е х н ол о ги я у с и л ен и я к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
131
Испытания для определения влияния силовых воздействий на
прочность и адгезию конструкции внешнего армирования (система
«бетон — клей — углепластик) проводятся по ГОСТ 10180, а на адге­
зию — с использованием адгезиометра.
При транспортировании и хранении материалов усиления необхо­
димо соблюдать определенные требования.
Транспортирование и хранение угленластиковых лент осуществ­
ляется в соответствии с требованиями ГОСТ 25388 со следующим до­
полнением: лента должна храниться в упакованном виде при темпера­
туре от -3 0 до +50 °С и влажности не выше 85 %.
Транспортирование холстовой ткани осуществляется в соответ­
ствии с требованиями ГОСТ 7000.
Холстовую ткань хранят на стеллажах в складских помещениях,
исключающих попадание прямых солнечных лучей, при температуре
от -3 0 до +50 °С и относительной влажности не более 80 %.
Транспортирование клеев производится всеми видами транспорта.
Погрузку в транспортные средства и перевозку клеев осуществляют в
соответствии с Правилами перевозки грузов, действующими на транс­
порте данного вида.
Клеи, рассортированные по маркам, должны храниться на складе в
герметичных емкостях при температуре свыше +5 °С в условиях, обес­
печивающих защиту от воздействия влаги и солнца, рассортированны­
ми по маркам.
При производстве работ по внешнему армированию строительных
конструкций необходимо выполнять требования техники безопаснос­
ти в соответствии со СНиП 12-04-2002 и ВСН 37-84.
Производственные процессы должны соответствовать требовани­
ям ГОСТ 12.3.002, применяемое оборудование - ГОСТ 12.2.003, спо­
собы производства погрузочно-разгрузочных работ - ГОСТ 12.3.009.
Класс пожарной опасности конструкции внешнего армирования
должен соответствовать классификации КО но СНиП 21-01.
В соответствии с ГОСТ 12.1.004 защиту элементов внешнего арми­
рования от пожара следует осуществлять с использованием жаростой­
ких покрытий или защитных кожухов.
Конструкции внешнего армирования с применением углепласти­
ковых лент могут эксплуатироваться в условиях внешней среды, ого­
воренных в СНиП 2.03.01-84*.
Все процессы, связанные с приготовлением клея, необходимо произ­
водить в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе.
При приготовлении клея на открытом воздухе рабочие должны на­
ходиться с наветренной стороны. Вблизи места работ не должно быть
посторонних людей.
Запрещается сливать использованный растворитель в водоем, а не­
использованные эпоксидные составы утилизировать до отверждения.
Их запрещается закапывать или сжигать. После отверждения клей
утилизируется как пластмасса.
132
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
В зоне, где производится работа по приготовлению клея, запреща­
ется принимать пищу, курить, пользоваться открытым огнем.
При работе с клеем необходимо следить за чистотой рук и одежды.
При попадании клея в глаза необходимо сразу промыть это место
во/той и протереть тампоном, смоченным в этиловом спирте.
При попадании клея или его составляющих на кожу необходимо
сразу ее промыть теплой водой и немедленно обратиться к врачу.
Рекомендуется наносить защитный крем на открытые участки тела.
При работе с клеем и подготовке углепластиковых лент необходи­
мо в соответствии с ГОСТ 12.1.007 выполнять следующие требования:
• работающие должны применять средства индивидуальной защи­
ты - надевать перчатки, пользоваться защитными очками;
• все работающие должны пройти вводный инструктаж на рабочем
месте;
• к работе с клеями допускаются лица, прошедшие медицинский
осмотр и имеющие допуск.
Ремонтные работы на высоте более 1,3 м должны выполняться с
подвесных или стоечных подмостей, люлек или других средств, обес­
печивающих безопасное выполнение работ.
На эксплуатируемую конструкцию не должны воздействовать на­
грузки, превышающие значения, определенные в техническом проекте
ремонта и усиления.
В процессе эксплуатации конструкции внешнего армирования с
применением углепластика могут эксплуатироваться в интервале тем­
ператур от -7 0 °С до +50 °С. Необходимо исключать попадание на эле­
менты внешнего армирования прямых солнечных лучей.
Необходимо обеспечивать организационные, а в случае необходи­
мости и технические мероприятия по предотвращению повреждения
элементов внешнего армирования обслуживающим персоналом или
другими лицами.
6 .2 . Устан о вк а ком п о зи ц и о н н ы х м а те р и а л о в н а поверхность
уси л и ва ем о й конструкции и контроль качества производства
р аб о т
Усиление конструкций инженерных сооружений является частью
общего процесса по восстановлению их работоспособного состояния
(рис. 6.1). Усиление конструкций инженерных сооружений необходи­
мо производить, если они не удовлетворяют поверочным расчетам по
несущей способности или требованиям нормальной эксплуатации.
После проведения поверочных расчетов необходимо выбрать способ
усиления, который удовлетворял бы требованиям безопасной эксплу­
атации сооружения, обеспечивал технологичность монтажа элементов
усиления и осуществлялся без остановки производственного пронес-
Главо
6. Т е хн оло ги я уси л ен и я к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
133
Рис. 6.1. Технологический маршрут ремонта конструкций с сильной степе­
нью повреждений (коррозия 16,5 - 40 %) с применением композиционных
материалов
са. Таким требованиям в наибольшей степени отвечают композицион­
ные материалы на основе углеродных волокон.
Предлагаемая технология усиления определяет порядок и условия
выполнения работ при усилении композиционными материалами же­
лезобетонных строительных конструкций с целью перераспределения
напряжений в элементах конструкции.
134
Вн еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атер и ал ам и
— Подготовка поверхности
Удаление разрушенного бетона и загрязнений, придание
шероховатости поверхности, сглаживание углов и обеспыливание
Бетон
Контроль качества поверхности: когезионная прочность,
влажность, наличие неровностей, трещин и признаков коррозии
{Материалы внешнего усиления на основе углеродных волокон |
—|Подготовка и очистка поверхности материала]
- {Заготовка по размеру и проверка наличия дефектов I
—| Усиление композиционными материалами на основе углеродных волокон \
Н Нанесение адгезива на бетон
-{Ламинаты\-
ННанесение адгезива на ламинаты]
Н Установка материала усиления~~\
-{Холсты |
-{Нанесение грунтовки или шпаклевки
|
-|Нанесение смолы низкой вязкости (праймерный слой) |
И Установка холстов I
— |Пропитка материала усиления (покрывающий слой) \
— |Контроль качества работ (перед, во время и после их выполненияJ]
Качество применяемых материалов (стандартный
тест материалов усиления и адгезива/смолы)
Контроль условий работ (прочность бетона,
неровности, условия окружающей среды и т.д.)
Контроль качества во время и после выполнения работ (направление
фибры, положение, размер, неровности, адгезия, наличие пустот)
— |Отделочные работы (по необходимости)]
I
1Защита от воздействия огня и ультрафиолетового излучения\
Рис. 6.2. Технология усиления конструкций инженерных сооружений с
применением композиционных материалов
Технология выполнения работ по усилению строительных конст­
рукций и контролю качества приведена на рис. 6.2. Она включает в себя:
• подготовку поверхности конструкции;
• монтаж листового материала;
Глава
6. Т е х н ол о ги я уси лен и я к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
135
Подготовка поворхног ти
подлежащей усилению
дуе-т
Прочность на растяжение
несущей поверхности
п о в е р х н о сти
г.& ; w o • .Л и х о в а
т о с т ь л и б о с г .мо_:а.*С' ш л и ф с в а г 'ь н и и .
пс
уГ'Ч'ФПЗС *ИкОРо-х ЛИС’ 0 8 Г.ЧМИНсГ ОН Ф р С
м аш инки, л и б о
б о м . ч т о б ы о б е е гте
ф е ’Л н - у з о н о
ч ен н «г г. о п р о ч н о с т и и з с ч-’ ТЯ - !VH14- Д .Т*
а ; ; г е р о и н t,.v’ с о с л а в п а г с - л ' - о а - ' ъ - * * ' .
адф зи он н ого с о с ю в а
caO/ivaa'Cutv усилия тйселогй'.-а jповерхности
>
педлежа;^;!
flv4>r W V в а * н * и л* * 1 И у .
сЩ .го ;ь чf-и я р а б о т п о у с.и; :еник'. *■с »■- '•c v г.щии ч ‘
паетгя ь а г / u'i- и-чред^чч-^.»! »■*’«'
ц и о и н о и п р о ч н о с т и н а р а г.т«ч .г%« / 1> ’ H W
При
уси ле н и и
у ’ -'c r :r a -,:’ ;isn
е ы м и л и о J \ : t i » и * ’ 5 H 'w v
}‘, / у-
win ламинатам/ /Для л .ютов А 14
требуемо* значение юра ;о п л* &
Рис. 6.3. Подготовка поверхности конструкции перед усилением КМФ
• контроль качества производства работ;
• нанесение защитного слоя от воздействия окружающей среды;
• промывку оборудования.
Применяемые материалы должны соответствовать требованиям
ISO 9001-9002 и российским техническим условиям (Т У 5850-00142010705-05).
Ланная технология усиления строительных конструкций пред­
ставляет часть общего технологического процесса по ремонту конст­
рукции (рис. 6 . 1 ), и разработана с учетом исправности гидроизоляци­
онной системы в сооружении.
Усиление композиционными материалами начинается с подготовки
поверхности конструкции. Поверхность конструкции в местах наклей­
ки листовых материалов подвергают очистке, чаще всего пескоструйной
обработке, что позволяет вскрывать норовую структуру бетона.
Затем обработанную поверхность шлифуют абразивным инстру­
ментом для придания ровности и шероховатости, выступающие ост­
рые кромки скругляют до радиуса 1—3 см. Конструкционная проч­
ность поверхностного слоя бетона должна быть не менее 1,0 МПа для
холстовых КМ Ф и не менее 1,5 МПа для полос композиционного ма­
териала (рис. 6.3).
После выравнивания поверхность обеспыливают с помощью про­
мышленного пылесоса.
Чтобы исключить концентрацию напряжений в углепластиковых
листах или пластинах и обеспечить равномерность распределения ра-
136
Вн еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атер и ал ам и
Р и с . 6.4. П роверка ровности поверхности усиливаемой конструкции
стягивающих напряжений, следует проверить ровность поверхности с
помощью однометровой рейки (рис. 6.4). При этом допускается мак­
симальное отклонение 1 мм на полосе длиной 30 см.
Если данное требование не соблюдается, то необходимо выровнять
поверхность с помощью специального выравнивающего состава. При­
готавливают выравнивающий состав на основе эпоксидной смолы и
кварцевого песка с модулем крупности М к = 0,5 — 0,8 мм, исходя из
следующих соотношений:
компонент Л (эпоксидная смола) — 2 весовые части;
компонент В (отвердитель) — 1 весовая часть;
компонент С (кварцевый песок) — 3 весовые части.
Д ля приготовления выравнивающего состава используют миксер
со скоростью вращения 400 — 600 об/мин. Состав приготовляется в
следующей последовательности:
• в емкость помещают дозированное (рассчитанное и взвешенное)
количество компонента А;
• при постоянном перемешивании добавляют рассчитанное и
взвешенное количество компонента С до получения массы однород­
ной консистенции;
• к полученному составу добавляют рассчитанное и взвешенное
количество компонента В и перемешивают в течение 3—5 мин.
Примечание: Допускается выполнение указанной операции вруч­
ную, если количество приготавливаемого состава менее 1 кг.
После смешивания поверхность выравнивают приготовленным со­
ставом с помощью шпателя и терки. Для отверждения состава после
Г ri а в о
6. Те хн оло ги я уси л ен и я к о нстр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
137
Рис. 6.5. Подготовка полосы КМФ на участке проведения работ
выравнивания поверхности должен быть технологический перерыв не
менее 7—12 ч.
Далее осуществляют подготовку технологической оснастки и обо­
рудования для производства работ по усилению. Д ля обеспечения рав­
номерного разматывания композиционного материала согласно тех­
ническому описанию собирают станину для размещения рулона угле­
пластиковой ленты. Рулон помещают в станину и фиксируют с помо­
щью обжимных роликов и ограничительных штанг.
Подготовка углепластиковой ленты включает в себя следующие опе­
рации. Ленту разматывают из рулона и помещают на монтажный стол
(рис. 6.5). Далее проводят разметку отрезков лент требуемой длины со­
гласно проектной документации. Нарезание лент проводят с помощью
отрезной машинки, используя диск но металлу. Для обезжиривания лент
используют органический растворитель — ацетон с расходом 0,4 л /м по­
верхности. При этом одновременно удаляется графитовая пыль.
Обезжиренные углепластиковые ленты складывают на монтажном
столе перед установкой для нанесения клеевого состава. Нанесение
клеевого состава, согласно техническому описанию, осуществляют с
использованием специального устройства. Регулируется ширина лот­
ка устройства под ширину используемой полосы и величину проход­
ного зазора; тем самым обеспечивается равномерное нанесение клее­
вого состава на материал усиления (рис. 6 .6 ).
Монтаж угленластиковых лент осуществляется с применением
клеевого состава на основе эпоксидной смолы, который готовится ис­
ходя из следующего соотношения:
компонент А (эпоксидная смола)
2 весовые части;
компонент В (отвердитель) — 1 весовая часть.
138
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Рис. 6.6 Н анесение клеевого состава на по­
верхность композиционного материала
Клеевой состав готовят в подходя­
щей емкости, используя миксер со ско­
ростью вращения 400 — 600 об/мин. Да­
лее в емкость помещают дозированное
(рассчитанное и взвешенное) количе­
ство компонентов А и В и перемешива­
ют в течение 3 — 5 мин до получения
массы однородной консистенции.
На поверхность конструкции в мес­
тах наклейки лент с помощью шпателя
наносят слой клея толщиной 1 — 1,5 мм.
Расход клея составляет 2 — 3 кг/м 2.
Заправляю т подготовленный отрезок
ленты в установку для нанесения клея
гак, чтобы край ленты выступал за пределы формующей пластины на
5 — 10 мм.
Далее выкладывают в устройство поверх лент клей и равномерно
его распределяют с помощью мастерка или шпателя (рис. 6 6 ). Про­
двигая угленластиковую ленту через установку для нанесения клея и
удерживая продвинутую ленту с клеем в одной плоскости, добавляют
но мере необходимости новые порции клея в установку.
Проводят монтаж углепластиковых лент с нанесенным клеем в ра­
бочее положение с одного края к другому или от центра к краям. За­
тем его плотно поджимают к поверхности конструкции, прокатывая
твердым резиновым валиком (рис. 6.7).
Р ис. 6.7. Установка полосы композиционного материала в проектное поло­
ж ение
Глово
139
6 Т е хн оло ги я у с и л ен и я к о нстр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м о т е р и о л а м и
Таблица 6.1 Клеевые составы , используемые для усиления конструкций при
низких температурах
№
клея
1
2
3
Состав
клея
Весовые
части
Смола ЭД-16
Фуриловый спирт
Полиэтиленнолиамин
Цемент, молотый песок
Тиксотропная добавка
100
30
25
1 5 0 -2 0 0
3 -1 0
Смола ЭД-16
Фуриловый спирт
Полиэтиленполиамин
Ускоритель твердения
(хлорное железо)
Молотый песок, цемент
Тиксотропная добавка
100
30
30
8
Смола ЭД-16
Фуриловый спирт
Пол иэтил сип ол и ам и и
Ускоритель твердения
(солянокислый а[1илии)
Цемент, молотый песок
Тиксотропная добавка
Температура
склеивания,
°С
Жизнеспособность, ч
Техно­ Адгези­ Когези­
логи­
ческая онная
онная
1,5
4,5
24
0 - ( 5)
( 5 ) —( —10)
1.5
1,5
2,5
12
24
48
(-1 0 М -1 5 )
(-1 5 ) (-2 0 )
1,5
1,5
12
12
72
120
0 —( —5 )
( -5 ) ( Ю)
1,5
1.5
3,0
12
21
( —1 0 )—( —15)
(-1 5 ) (-2 0 )
1,5
1,5
12
12
0 —( - 5 )
1 0 0 -2 0 0
3 -1 0
100
30
30
48
3,6
150 250
3 -1 0
85
120
На время отверждения клеевого и защитного составов (-1 2 часов)
обеспечивают защиту смонтированных угленластиковых лент от лю ­
бых механических воздействий.
При выполнении работ по усилению конструкций при низких тем­
пературах используют специальные клеевые составы на эпоксидной
основе 1117].
Они наносятся на поверхность бетона, например для приклеива­
ния внешнего армирования или закладных с температурой ниже О °С
и должны иметь в своем составе в качестве пластификатора фуриловый спирт, а также тиксотропную добавку.
Тиксотропная добавка (например, сажа в количестве 3—10 в.ч. па
1 0 0 в.ч. эпоксидной смолы) необходима для уменьшения стскания по­
лимерного клеевого состава. В качестве ускорителей твердения ис­
пользуют хлорное железо и солянокислый анилин, которые вводят в
охлажденную до температуры наружного воздуха пластифицирован­
ную смолу. Хлорное железо перед употреблением расплавляют в водя­
ной бане при температуре 30—40 °С.
Составы подобного клея приведены в табл. 6.1.
140
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Клеевые составы без ускорителей твердения следует готовить и хра­
нить в специальных сосудах с двойными стенками. Пространство между
стенками предназначено для заполнения теплой водой и поддержания в
нем температуры 15—25 °С. Объем теплой воды в 3—4 раза должен пре­
вышать объем смесительного бака, который, в свою очередь, на 2 0 -2 5 %
должен превышать объем приготавливаемого полимерною состава.
Чистку оборудования от остатков выравнивающего, клеевого или
защитного составов выполняют с помощью шпателя и ветоши. После
этого оборудование и инструмент протирают ветошью, смоченной в
растворителе.
Операции выполняют сразу после использования приготовленной
порции состава, остатки составов утилизируют в специальные емкости.
До начала производства работ определяют по ISO 4624/CENITC
125 когезию поверхностного слоя бетона конструкции с помощью
прибора DYNA Z15 и комплекта штампов 050.
Когезионная плотность поверхностного слоя бетона в месте монта­
жа угленластиковых лент должна быть не менее 1,0 МПа (10 кг/см2).
Перед началом выполнения работ определяют следующие пара­
метры окружающей среды:
• температуру воздуха;
• температуру поверхности конструкции;
• влажность воздуха;
• влажность конструкции;
• температуру точки росы.
Измеряемые параметры должны соответствовать следующим ус­
ловиям:
• температура окружающего воздуха > +10 °С;
• влажность бетона < 4 %;
• температура поверхности бетона минимум на 3 °С выше темпе­
ратуры точки росы.
Габаритные размеры монтируемого листового материала на соот­
ветствие требованиям проектной документации контролируют с помо­
щью измерительного инструмента.
Качество монтажа листового материала проверяют инструмен­
тально — по толщине наносимых слоев, или аналитически — но расхо­
ду клеевого материала и обрабатываемой площади, величину перехле­
ста — инструментально.
6 .3 . О п ы т З А О «Триада-Холдинг» по усилению строительных
конструкций ком п о зи ц и о н н ы м и м а те р и а л а м и
В последнее время в России накоплен значительный опыт ремон­
та, восстановления и усиления строительных конструкций компози­
ционными материалами. Решением этой проблемы занимаются ОАО
Ц Н И И С , Н И И Ж Б , Гормост, РосдорН И И , ЗАО «Триада-Холдинг» и
Глав о
6. Т е хн оло ги я уси л ен и я к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
141
другие организации, что свидетельствует о растущем научном и прак­
тическом интересе отечественных специалистов к ремонту и усилению
железобетонных конструкций внешним армированием композицион­
ными материалами.
ЗЛО «Триада-Холдинг» за последние годы работы накоплен боль­
шой опыт по проектированию и использованию композиционных ма­
териалов для ремонта, восстановления и усиления железобетонных
конструкций. Были выполнены работы по ремонту и усилению конст­
рукций верхнего строения причала № 9 Новороссийского морского
торгового порта, усилению конструкций стропильных ферм покрытия
цеха домостроения Подольского ДСК, усилению конструкций ребри­
стых плит коллекторных тоннелей по улице Велозаводской и Котель­
нической набережной, усилению железобетонных конструкций путе­
провода через М О Ж Д но улице Шарикоподшипниковской, усилению
балок пролетного строения моста через р. Химка на Волоколамском
шоссе в составе транспортной развязки на пересечении с каналом им.
Москвы, усилению конструкций цеха домостроения ДСК-3, усилению
металлических тяжей кирпичных сводов храма Василия Блаженного,
усилению железобетонных конструкций ВК ЗАО «Экспоцентр» па
Красной Пресне, усилению железобетонных ригелей перекрытий зда­
ний Девятого арбитражного апелляционного суда, усилению .монолит­
ных железобетонных перекрытий в жилых зданиях, усилению железо­
бетонных балок а вто дорожи о го путепровода через железную дорогу в
Липецкой области, усилению композиционными материалами желе­
зобетонных плит в процедурной корпуса № 1 ЦКБ в Кунцево и др.
Усиление и ремонт конструкций верхнего строения причала № 9
Новороссийского морского торгового порта (рис. 6 .8 ) было выполне­
но с устройством несъемной опалубки с применением углеволоконных
композиционных материалов в качестве несущей арматуры.
Предложенное решение свело к минимуму объемы работ, произво­
димых с воды под причалом. На берегу до установки рам кондукторов
металлических (Р К М ) в проектное положение нижняя поверхность
двутавров РКМ была защищена путем приклеивания фасонных эле­
ментов малой толщины, армированных щелочестойкой стсклосеткой.
Для восприятия динамических воздействий при забивке свай фасон­
ные элементы, имеющие ограниченную длину, были приклеены на
эпоксидный адгезив. Следует отметить, что обработка поверхностей
двутавров эпоксидом при наклеивании фасонных элементов уже обес­
печивает коррозионную защиту металла. После защиты двутавров
рамы кондукторов устанавливали в проектное положение.
Несъемная опалубка представляет собой бетонные плиты, которые
изготавливаются в заводских условиях из бетона с применением спе­
циальных добавок. Плиты имеют внешнее армирование арматурой из
углепластика. Специальный состав бетона в сочетании с гидроизоля-
142
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Рис. 6.8. Усиление н ремонт конструкций верхнего строения причала № 9
Н овороссийского морского торгового порта
цпонными пенетрирующими материалами позволил уменьшить тол­
щину опалубочных плит. В предлагаемом решении опалубочные пли
ты укладывали сверху на нижние полки двутавров с ироклеиванием
всей опорной зоны. Это обеспечило герметичность отсеков балочной
клетки РКМ на период монтажа арматуры и последующего бетони­
рования и, что особо важно, исключило необходимость ведения работ
по уплотнению стыков с воды.
Усиление железобетонных конструкций путепровода через
МОЖ Д по улице Шарикоподшипниковской (рис 6.9).
Опыт применения высокопрочных композиционных материалов
на основе углеродных волокон при реконструкции и усилении строи­
тельных конструкций пополнился за счет реализации проекта по уси­
лению Ш арикоподшипниковского путепровода в г. Москве. Усиление
балок, колонн и ригелей производилось ЗАО «Триада-Холдинг».
Весной 2001 г. были проведены работы по усилению железобетон­
ных конструкций путепровода, входящие в состав мер по подготовке и
осуществлению доставки из Германии проходческого щита для строи­
тельства Лефортовских тоннелей Третьего транспортного кольца.
Заказчиком работ но усилению путепровода выступало ООО
«Организатор»; генподрядчиками — Корпорация «Трансстрой», ОАО
«М остоотряд-19»; заказчиком проектных работ — О О О «Проект-
Глава
6 Техн оло ги я у си л ен и я к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
143
6.9. Усиление железобетонных конструкций путепровода через
МОЖД по улице Шарикоподшипниковской
Рис.
Трансстрой». Проект разработан и реализован подрядчиком ЗАО
«Триада -Холд и иг».
Усиление конструкций путепровода проводилось с целью обеспе­
чения несущей способности при транспортировке элементов проход­
ческого щита - двадцати грузов массой до 252 т.
Путепровод соединяет ул. Ш арикоподшипниковскую с Ю жнопор­
товой и пересекает железнодорожные пути Окружной железной доро­
ги. Ои был построен в 1968 году и рассчитан на временную норматив­
ную нагрузку НК-80.
Длина путепровода составляет 169,12 м, ширина 37,2 м. Балки про­
летных строений имеют длину 24,0 м и 16,75 м - унифицированные,
сборные из предварительно преднанряжеиного бетона.
Для выявления реального состояния конструкций было проведено
обследование моста и выполнены проверочные расчеты. Для точного
учета работы балок был выполнен пространственный расчет методом
конечных элементов по программе «BASYS».
В основу методики расчета был положен анализ напряженно-дефор­
мированного состояния балок пролетных строений, ригелей и стоек опор.
При проведении вычислений в качестве расчетной проектной на­
грузки был принят вес автопоезда с элементом проходческого щита.
Полный вес автопоезда при транспортировке самого тяжелого элемен­
та щита составляет 252 т.
144
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м а тер и ал ам и
S&P laminate CFK 150/2000
о
сVI
1500
S&P С sheet 640, 300*1700 mm
Рис. 6.10. Н иж няя поверхность усиливаемых балок пролетных строений
Ш арикоподш ипниковского путепровода
Расчет показал, что при пропуске сверхнормативной временной
нагрузки имеется превышение действующего изгибающего момента
над несущей способностью сечения, т. е. прочность сечения в середине
пролетного строения длиной 24 м не обеспечена.
В качестве материала усиления балок и ригелей принята углепла­
стиковая лента — высокопрочный полосовой композиционный мате­
риал швейцарской фирмы «S&P Clever Reinforcement Company». Вы­
бор материалов этой фирмы — результат анализа мирового опыта ис­
пользования композиционных материалов для усиления мостовых
конструкций в аналогичных условиях.
Угленластиковая лента фирмы «S&P Clever Reinforcement
Company» имеет следующие характеристики: прочность на растяже­
ние в 4 раза больше, чем прочность арматурной стали класса А — III;
масса в 7 раз меньше массы стали и модуль упругости, соответствую­
щий модулю упругости стали.
Для устройства хомутов по балкам и ригелям, а также для усиле­
ния колонн применялись специальные высокопрочные холстовые
композиционные материалы из углеродных волокон (рис. 6 . 1 0 ).
Рассматривалось два варианта усиления балок: с преднапряжением лент композиционного материала перед приклеиванием и без их
преднапряжения. По первому варианту для обеспечения несущей спо­
собности сооружения при прохождении груза требовалось усиление
балки четырьмя предварительно напряженными полосами из углерод­
ных волокон сечением 80x1,4 мм. Усилие натяжения каждой полосы
было запроектировано на 10 т. По второму варианту для обеспечения
несущей способности требовалось усиление балки лентами без пред­
варительного напряжения, но с увеличением количества материала
вдвое, т.е. восемью полосами того же сечения.
В результате сравнения вариантов усиления было принято реше­
ние усилить балки пролетных строений по второму варианту - восе­
мью полосами углепластика без предварительного напряжения. От
первого варианта пришлось отказаться в связи с необходимостью вы-
Глава
6. Т е хн ол о ги я уси л ен и я к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
145
2100
Рис. 6.11. К онструкция подвесных подмостей для ведения работ по усиле­
нию балок пролетных строений Ш арикоподш ипниковского путепровода
полнения работ в сжатые сроки. Всего на работы по ремонту конструк­
ций и их усилению было отведено 25 дней.
Правильность принятого решения была подтверждена специалис­
тами швейцарских фирм «S&P Clever Reinforcement Company» и
«BBR Systems ltd.», специализирующихся в области усиления строи­
тельных конструкций.
Выполнение работ проводилось по стандартной технологии, вклю­
чающей подготовку поверхности железобетонных конструкций, конт­
роль качества подготовки поверхности, установку угленластиковых
лент и хомутов из холстового композиционного материала, контроль
качества установки.
Все работы выполняли с лесов и специально сконструированных и
смонтированных подвесных подмостей (рис. 6.11). Общая площадь по­
верхности настила лесов и подмостей составила более 600 м2. Устрой­
ство большого количества лесов и подмостей под всеми усиливаемы­
ми конструкциями позволило уложиться в отведенные сроки за счет
ведения работ параллельно на различных участках.
Установка специальных подмостей обеспечила возможность про­
водить работы над железной дорогой без остановки движения поездов.
Использование пескоструйной обработки поверхности с передвиж­
ной установки позволило провести оч и п ку большей части конструкций
еще до сооружения лесов, что также значительно сэкономило время.
Особенностью технологии являлась необходимость доступа к кон­
струкции по всей ее длине. Установка угленластиковых лент осуществ­
ляется при помощи специального эпоксидного клея, наносимого не­
посредственно на них перед установкой в проектное положение. Вре­
мя отверждения клея определяло сроки установки отдельного элемен-
146
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м атер и ал ам и
Р и с. 6.12. Коррозионные разруш ения опорного сечения балки автодорож­
ного путепровода
та усиления и темпы работ, что, соответственно, требовало строгой
организации выполнения работ.
Ч еткая организация процесса установки углепластиковых лент
при усилении конструкций Ш арикоподшипниковского путепровода
позволила бригаде в составе 1 2 рабочих установить более 1 2 0 0 пог. м
лент за 4 дня при минимальных потерях клея. 11о заключению фир­
мы - производителя материалов, осуществлявшей контроль техноло­
гических процессов, такие показатели свидетельствуют о высоком
уровне организации работ.
Для усиления конструкций путепровода холстовыми материалами
из углепластика была применена технология «мокрой» установки, ко­
торая носит такое название из-за того, что в этом процессе использу­
ется эпоксидный клей без добавления каких-либо наполнителей, бо­
лее жидкий по сравнению с клеем, включающим наполнитель. Техно­
логия «мокрой» установки усложняет процесс приклеивания. Необхо­
димо выдерживать холсты, пропитанные в клее, перед установкой с
целью его загустения, а после монтажа их на конструкциях следить за
тем, чтобы тяжелые от клея холсты не провисали. Использование клея
без наполнителя обес печивает большую прочность и наилучшие де-
Глава
6 Те хн оло гия уси лен и я к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
147
Рис. 6.13. К оррозия внутреннего арматурного каркаса автодорожной балки
формационные свойства всей системе усиления «холсты КМФУ
матрица (эпоксидный клей)».
Испытания на железобетонных конструкциях Ш арикоподшипни­
ковского путепровода производила лаборатория «Контроль строитель­
ства и эксплуатации инженерных сооружений ЗЛО «Триада-Холдинг».
Качество приклеивания материалов испытывали методом отрыва но
методике, общепринятой для этих целей в мировой практике.
Все работы по контролю качества проводились в присутствии заказ­
чика, генподрядчика и эксплуатирующей организации ГУН «Гормост».
Результаты испытаний показали, что значения прочности бетона
па отрыв превышают в 1,9 раза требования нормативов по усилению
железобетонных конструкций.
Испытание путепровода под временной нагрузкой было выполне­
но сотрудниками О ТН ГУП «Гормост» Оно заключалось в загружснии пролетного строения временной статической нагрузкой — двумя
автосамосвалами весом но 45 т каждый.
В процессе испытания контролировались прогибы всех балок од­
ного пролетного строения в середине пролета и относительные дефор­
мации в поясах балок и в элементах усиления.
148
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Результаты статических испытаний путепровода показали, что со­
вместная работа материала усиления S&P Laminate CFK 150/2000 с
железобетоном балок пролетного строения обеспечивается. Снижение
растягивающих напряжений под испытательной нагрузкой в усилен­
ной балке составляет 20 % по сравнению с неусилснной. После прове­
дения работ было подтверждено, что Шарикоподшипниковский путе­
провод обладает достаточной жесткостью и прочностью для пропуска
по нему автопоездов с тяжеловесной нагрузкой.
Работы по сопровождению сверхнормативной и тяжеловесной на­
грузки выполнялись сотрудниками О О О «Сервис-Мост». При визу­
альном инспектировании в процессе и после прохождения автопоез­
дов по Ш арикоподшипниковскому путепроводу никаких дефектов в
железобетонных конструкциях обнаружено не было. Деформации
конструкций сооружения не выходили за допустимые значения
В результате выполненных работ но усилению конструкций путе­
провода была обеспечена их несущая способность в целях успешной
транспортировки крупнотоннажных грузов.
Усиление железобетонных балок автодорожного путепровода
через железную дорогу на 289-м км (ПК 4) «Липецк-Грязи» в Ли­
пецкой области.
Заказчиком усиления балок автодорожного путепровода являлся
специализированный мостовой трест «Спсцмостотрест» — филиал
ОАО «Российские железные дороги».
Балки автодорожного путепровода с течением времени в результа­
те коррозии бетона и арматуры получили повреждения, снижающие
их несущую способность (рис. 6.12, 6.13).
В связи с имеющимися повреждениями, а также с возросшими гру­
зоперевозками и, следовательно, с увеличением временной нагрузки на
конструкцию было решено произвести усиление автодорожных балок.
Перед усилением арматурный каркас был зати ш ен антикоррози­
онным защитным составом, конструкции бачок были отремонтирова­
ны специальным ремонтным составом на основе цемента. Далее с це­
лью удаления цементного молока отремонтированная поверхность ба­
лок подверглась механической обработке с применением шлифоваль­
ной машинки.
Усиление конструкций путепровода решено было произвести угле­
волоконными композиционными материалами (рис. 6.14).
Приопорные части бачок усиливались холстовыми композиционны­
ми материалами для восприятия поперечных сил и недопущения образо­
вания наклонных трещин Полосы композиционного материача устанав­
ливались по всей длине бачки для восприятия изгибающих усилий.
Часть железобетонных бачок расположена на* железной дорогой. Ра­
боты но ремонту и усилению выполнялись преимущественно в ночное
время в периоды предоставления технологических «окон» в движении
Глава
6. Те хн оло ги я уси л ен и я к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
VHI
ВV
вщ
149
ВМЫР^в
Рис. 6.14. Усиление ж елезобетонной балки автодорожного путепровода
композиционными материалами на основе углеродных волокон
поездов. На специально заказанные железнодорожные дрезины устанав­
ливались временные подмости (рис. 6.14), с которых велись работы по
ремонту конструкций и монтажу композиционного материала. В сутки
выделялось всего два часа на ремонтные работы и работы по усилению.
Необходимо отметить, что благодаря хорошей организации работ
все работы по ремонту и усилению железобетонных балок были выпол­
нены двумя рабочими в течение 25 рабочих дней. При этом работы вы­
полнялись практически без остановки движения поездов.
Усиление балок пролетного строения моста через р. Химка на
Волоколамском шоссе в составе транспортной развязки на пересе­
чении с каналом им. Москвы Мост через реку Химка на 14-м км Во­
локоламского шоссе построен в 1937 г. по проекту организации «Москва-Волгострой». Полная длина сооружения равна 24,7 м, ширина 21,52 м, в том числе проезжая часть - 15,0 м, два тротуара - по 3,0 м.
Мост выполнен по балочно-консольной схеме 5,35+14,0+5,35 м из мо­
нолитного железобетона и перекрывает реку Химка пролетом 14,0 м
(рис. 6.15).
В поперечном направлении мост выполнен из пяти монолитных
железобетонных балок таврового сечения переменной высоты: от 1 , 0 м
150
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Рис. 6.15. Общий вид моста через реку Химка (1 — композиционный мате­
риал усиления)
на консолях и в середине пролетало 1,5 м на опорах. Расстояние в осях
между ними 5,0 м. Вдоль моста устроены 6 поперечных железобетон­
ных балок с шагом между ними от 4,66 до 5,35 м (рис. 6.16).
На основании данных «Технического заключения по оценке грузо­
подъемности пролетного строения моста через реку Химка на Волоко­
ламском шоссе в составе транспортной развязки на пересечении с ка­
налом им. Москвы» грузоподъемность пролетного строения оценива­
лась классом К = 9 в середине пролета и К = 11 в корне консоли но
нормативной схеме АК и более К = 1 по нормативным схемам НК-80.
По результатам проведенных расчетов требовалось выполнить усиле­
ние балок в середине пролета до К = 11 при нормативных схемах АК.
Согласно имеющейся информации, сооружение в целом находи­
лось в удовлетворительном состоянии. Каких-либо дефектов, снижа­
ющих его грузоподъемность, а также существенных коррозионных по­
вреждений и морозного разрушения бетона не обнаружено.
Имелись лишь дефекты, негативно влияющие на долговечность
сооружения. К таким дефектам можно отнести локальные протечки
воды со следами выщелачивания по плите проезжей части, что может
свидетельствовать о нарушении целостности гидроизоляции на мосту.
Бетон балок пролетного строения плотный и прочный, практически
без строительных дефектов.
При ремонте и восстановлении несущей способности железобе­
тонных балок была использована предварительно напряженная арма­
тура в виде углепластиковых полос.
Контролируемое усилие натяжения каждой полосы композицион­
ного материала составило N = 8,0 т. Оно обеспечивало компенсацию
Глов а
6. Т ехнология уси лен и я ко н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
151
Рис. 6.16. Мост через реку Химка (поперечный разрез) (1 — композицион­
ный материал усиления)
Рис. 6.17. Усиление балок пролетного строения моста через р Х имка па Во­
локоламском шоссе в составе транспортной развязки на пересечении с ка­
налом им. Москвы
потерь напряжений от релаксации углепластиковых полос при смеще­
нии под анкерными пластинами, от трения в устройствах для натяже­
ния полос и в домкрате, от времени выдержки натянутых полос при
этих усилиях. Общий вид моста с установленными элементами усиле­
ния показан на рис 6.17.
Таким образом, прочность и трещиностойкость сечений балок
были обеспечены с использованием шести предварительно-напряжен­
ных полос углепластика сечением 80x1,4 мм.
Усиление конструкций стропильных ферм покрытия цеха домо­
строения Подольского ДСК (рис. 6 18 ) Из-за низкой коррозионной
стойкости стальных конструкций усиления при традиционном методе
производства работ и необходимости периодического проведения про­
филактических мероприятий, включая диагностику дефектов стали,
152
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций композиционны м и м ате р и а л а м и
Рис. 6.18. Усиление конструкций стропильных ферм покрытия цеха домо­
строения Подольского ДСК
ремонт и устройство коррозионной защиты, а также ввиду значитель­
ной трудоемкости выполнения работ по усилению, было реализовано
усиление ферм высокоэффективными композиционными материала­
ми на основе углеродных волокон, стойких к воздействию коррозион­
ной среды. Усиление нижних поясов ферм произведено путем прикле­
ивания на боковые поверхности элементов усиления — угленластико­
вых лент.
Совместную работу железобетонного пояса фермы и углепласти­
ковых лент обеспечили специальные конструктивные устройства —
поверхностные холстовые материалы на основе однонаправленных
углеродных волокон, устанавливаемых в опорных частях ферм.
Верх колонн, имеющих коррозионные повреждения, был усилен
путем устройства новых консолей.
Усиление конструкций ребристых плит коллекторного тоннеля по
улице Велозаводской. Это первый в России опыт усиления конструк­
ций с помощью предварительно-напряженных холстов из композици­
онного материала на основе углеродных волокон. Наряду с традицион­
ными методами усиления (установка колонн, подведение под плиту
двутавровых балок или стальных полос), которые в условиях коллек­
торного тоннеля дополнительно загромождают свободное простран­
ство, трудоемки, зачастую сложны и связаны с большим расходом мате-
Глав о
6. Те хноло гия уси л ен и я к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
153
Рис. 6.19. Усиление плит перекрытий тоннеля инженерных коммуникаций
композиционными материалами
риалов, рассматривался вариант усиления плит перекрытий с примене­
нием композиционных материалов на основе углеродных волокон
На выбор технологии усиления повлияло размещение самих плит
перекрытия коллекторного тоннеля, а также важный параметр, необ­
ходимый для приклеивания углеволоконных холстов, - прочность бе­
тона на отрыв, которая составила более 2,5 МПа.
Выборочно была произведена оценка эффективности обработки
поверхности на когезионную прочность бетона различными способа­
ми. Более предпочтительными оказались способы обеспыливания и
обработки стальными щетками. Из-за наличия качественного бетона в
кессонной части плит перекрытия усиление холстовыми композици­
онными материалами производилось путем их приклеивания на рас­
тянутую поверхность конструкции, что обеспечило увеличение несу­
щей способности плиты перекрытия на 20—25 % (рис. 6 19).
Усиление металлических тяжей кирпичных сводов храма Василия
Блаженного (рис. 6.20). В результате воздействия агрессивных факто­
ров окружающей среды у ряда тяжей произошло уменьшение попереч­
ного сечения, отдельные металлические тяжи прокорродировали по се-
154
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезоб етонны х конструкций композиционны м и м атер и ал ам и
Рис. 6.20. Усиление металлических тяж ей кирпичных сводов храма Васи­
лия Блаженного
чению на 100 %. В связи с этим самый оптимальный вариант восстанов­
ления их работоспособности — анкеровка тяжей с применением компо­
зиционных материалов. Впервые в отечественной практике были изго­
товлены вильчатые анкера из углепластика, которые устанавливались в
кирпичную кладку с последующим сцеплением по металлическим тя­
жам. Это обеспечило восстановление несущей способности тяжей.
Усиление железобетонных конструкций выставочного комплекса
«Экспоцентр» на Красной Пресне. На начальном этапе была прове­
дена диагностика строительных конструкций, включающая в себя сле­
дующие виды работ: сбор и анализ архивных данных о конструкциях
перекрытий и фундаментов здания; обмеры конструкций перекрытий;
визуальное обследование внешних и внутренних поверхностей конст­
рукций с описанием дефектов и составлением дефектовочных схем;
георадиолокациопные исследования дорожной одежды подиума; ни­
велировка поверхности подиума; зондаж перекрытий; определение
армирования конструкций; отбор образцов из конструкций для оп­
ределения прочностных параметров бетона; камеральная обработка со­
бранных материалов; поверочный расчет несущей способности строител ьиых копструкций.
Глав о
6. Т е хн оло ги я у си л ен и я к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м о т е р и а л а м и
155
Проведенные работы позволили сделать выводы о состоянии стро­
ительных конструкций обследуемого здания и выдать рекомендации
по ремонтно-восстановительным мероприятиям.
В ходе работ по диагностике строительных конструкций! было выяв­
лено, что основным несущим элементом подиума и всего здания явля­
ется сборный железобетонный каркас. Ограждающие и внутренние сте­
ны выполнены из кирпичной кладки, являются самонесущими или в
отдельных местах воспринимают нагрузки от ригелей. Каркас имеет
свайные фундаменты. Проектная длина свай 6 м. На кажды i стаканнодколонник приходится куст из 4 свай, связанных между собой моно­
литным ростверком. Между стаканами колонн непосредственно по на­
сыпным грунтам выполнена армированная бетонная подготовка для
укладки бетонной плиты полов. Толщина подготовки около 150 мм.
Колонны каркаса имеют шаг 6 x 6 м и представлены двумя основ­
ными типоразмерами — квадратного сечения 0 4x0,4 м и круглого се­
чения диаметром 0,43 м Длина колонн, несущих подиум, — 3,9 м.
На оголовки колонн опираются железобетонные или стальные риге­
ли, которые приварены через закладные детали к колоннам. Рядовые ри­
гели имеют длину 5950 мм. Ригели, примыкающие к колоннам крайних
рядов, длиной 6500 мм, имеют консольную часть. Ригели перекрытия
имеют рабочее сечение 300x600 (//) мм. Для оиирания плит перекрытия
ригели имеют полку в нижней части с шириной свеса 150 мм. Конструк­
тивное решение сборного перекрытия представлено па рис. 6 2 1 .
Поверочный расчет выполнялся с целыо установить, обеспечива­
ется ли несущая способность конструкций на момент обследования.
Оценочные расчеты железобетонных конструкций осуществлялись
для случая максимальных коррозионных п о в р е ж д е н и й бетона и рабо­
чей арматуры. Если в результате проведенных расчетов несущая спо­
собность данной конструкции не обеспечивается, то проверяются кон­
струкции, имеющие меньшую степень коррозии.
Расчет по несущей способности производился в зависимости от
конструктивных особенностей участка перекрытия (типоразмер кон­
струкций перекрытия, длина плит, армирование бетона, конструктив­
ные особенности перекрытия) и сочетания фактических нагрузок на
перекрытие (асфальтобетон бетон, щебенка, гравий, пескобетон, ксрамзитобетоипая армированная плита перекрытия) На этой основе
было составлено несколько вариантов нагружения перекрытия в пред­
положении, что перекрытие воспринимает дополнительные времен­
ные колесные нагрузки от АК-11
На основании выполненных поверочных расчетов конструкций с
учетом коррозии арматуры определялась их несущая способность.
Расчеты неповрежденных железобетонных ригелей показали, что
дефицит несущей способности составляет всего около 2 %. что в пре­
делах расчетной погрешности и говорит о том, что неповрежденные
156
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
. ^
--,у,у;
#
як
i
|1Г*Г* лТЛ1,4 *.V3I.ЧЛ. Л -1S"
ж
>А' "
----
IN?*
■
Рис. 6.21. К онструктивное реш ение сборного перекрытия ВК ЗАО «Экспо­
центр»
ригели воспринимают расчетные нагрузки на дорожное полотно поди­
ума. В результате поверочного расчета с учетом коррозионных по­
вреждений арматуры было установлено, что несущая способность ри­
гелей не обеспечивается на 10 - 15 %.
Усиление железобетонных ригелей было решено производить с
применением полос композиционных материалов (рис. 6 .2 2 ).
Усиление ригеля производилось на всю его длину (от колонны до
колонны). Перед усилением углепластиковыми лентами с поверхнос­
ти ригеля было удалено цементное молоко и произведено обеспыли­
вание поверхности. Далее поверхность под приклеивание полос ком­
позиционного материала была выровнена эпоксидным составом
«EPIC O L U». После отверждения выравнивающего состава приклеи­
вался композиционный углепластиковый материал.
Таким образом была повышена несущая способность конструкций
железобетонных ригелей, что позволило избежать применения мас­
сивных металлоконструкций, загромождающих полезное простран­
ство выставочного комплекса.
Усиление железобетонных ригелей перекрытий зданий Девятого
арбитражного апелляционного суда было выполнено по заказу про­
изводственно-строительного предприятия «Качество и надежность».
Глава
6. Т е хн оло ги я у с и л ен и я к о нстр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
157
Композиционный материал S&P Laminate 150/2000
Рис. 6.22. Поперечное сечение железобетонного ригеля с композиционным
материалом усиления на основе углеродных волокон
Конструктивное решение зданий Девятого арбитражного апелляци­
онного суда представлено несущими кирпичными стенами, на которые
опираются железобетонные и стальные ригели Расчетные нагрузки че­
рез железобетонные плиты и монолитный железобетон передаются на
железобетонные и стальные ригели. Необходимость усиления ригелей
была вызвана увеличением расчетных нагрузок на плиты перекрытия.
Перед началом работ была проведена диагностика железобетон­
ных ригелей. Цель исследования заключалась в оценке фактического
состояния поверхностной (когезионной) прочности бетона железобе­
тонных ригелей для разработки технического решения по их усиле­
нию с применением композиционных материалов.
Результаты испытания прочности бетона на отрыв показали, что
значения прочности составляют от 2,4 до 3,9 МПа, что удовлетворяет
требованиям по усилению ригелей приклеиванием лент композицион­
ного материала на основе углеродных волокон.
Ремонт железобетонных ригелей осуществлялся с применением быстросхватывающегося модифицированного состава для ремонтных работ
Поверхность железобетонных ригелей, к которой приклеиваются
полосы композиционного материала, была подготовлена по стандарт­
ной технологии, включающей в себя удаление цементного молока с пос­
ледующим проведением работ по ее обеспыливанию и обезжириванию.
Проектом усиления была принята схема усиления ригелей по ниж­
нему поясу углепластиковыми лентами S&P Laminate 150/2000 для
восприятия растягивающих напряжений при изгибе и в приопорной
зоне ригелей холстами S&P С Sheet 640 для восприятия усилий на
действие поперечной силы.
На данном объекте благодаря хорошей организации производ­
ственного процесса удалось в кратчайшие сроки (примерно 1 кален­
дарный месяц) усилить 219 железобетонных ригелей (рис. 6.23).
158
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м а тер и ал ам и
Р ис. 6.23. Ж елезобетонны е ригели зданий Девятого арбитражного апелля­
ционного суда после усиления их композиционным материалом
Усиление композиционными материалами железобетонных риге­
лей Административного корпуса ОАО «ДСК-3», спортзал. В связи с
проведением работ но устройству книгохранилища возникла необхо­
димость выполнения ремонта и усиления железобетонных ригелей.
На основе исходных данных заказчика были проведены для про­
ектирования поверочные расчеты и расчеты усиления конструкций
железобетонных ригелей. Поскольку габариты спортивного зала
как в плане, так и по высоте нельзя было уменьшить, усиление ри­
гелей решено было произвести композиционными материалами на
основе углеродных волокон. Согласно конструкторской документа­
ции, железобетонный ригель должен был воспринимать нагрузку от
книгохранилищ а, равномерно распределенную нагрузку от соб­
ственного веса плит и собственного веса ригеля, равную 7,425 кН/м,
и сосредоточенную нагрузку от брусьев, равную 15,33 кН. Эти дан­
ные но нагрузке были использованы для определения внутренних
усилий в конструкции ригеля. Внутренние усилия определялись
программным комплексом Л ира 9.2, позволяющим рассчитывать
конструкции методом конечных элементов. Н а основании получен­
ных усилий в виде изгибающих моментов и поперечных сил был
Глава
6 Те хн оло ги я уси л ен и я к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
159
Рис. 6.24. Усиление железобетонного ригеля композиционным материалом
на основе углеродных волокон
произведен расчет усиления ригелей с применением лент углеплас­
тика (рис. 6.24). Таким образом, усиленные железобетонные ригели
с применением композиционного материала на основе углеродных
волокон начали воспринимать равномерно распределенную нагруз­
ку в 30,9 кН /м . Данное усиление обеспечило 18-процентный запас
прочности конструкций ригелей.
Усиление проема в монолитном железобетонном перекрытии жи­
лого дома. Применение полос композиционного материала позволяет
производить работы по усилению различных проемов, устраиваемых
в монолитных перекрытиях. В жилой двухуровневой квартире предус­
матривалось устройство лестницы. Для монтажа лестницы во втором
уровне квартиры требовалось выполнить сквозной проем в моноли т­
ном перекрытии (рис. 6.25).
При устройстве проема вместе с бетоном вырезалась и внутренняя
стальная арматура. Таким образом изменялось напряженно-деформи­
рованное состояние монолитного перекрытия. Несущая способность
конструкции уменьшалась, что потребовало ее восстановления.
Были выполнены как проектные, гак и строительные работы по
усилению перекрытия композиционным материалом. При выполне­
нии проекта для расчета плиты использовался метод конечных эле­
ментов. Был выполнен сбор нагрузок на перекрытие и определены
действующие усилия в плите с учетом устройства проема. Па основа­
нии полученных в результате расчета действующих внутренних уси­
лий было определено требуемое количество композиционного матери­
ала для усиления. Все работы заняли четырнадцать календарных дней.
Схема усиления представлена на рис. 6.26.
160
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м атер и ал ам и
Р ис. 6.25. Схема устройства сквозного проема в монолитном перекрытии
жилого лома
Р ис. 6.26. С хема усиления проема в монолитной ж елезобетонной плите
Усиление монолитного железобетонного перекрытия жилого
дома. В процессе проведения ремонтных работ заказчиком в квартире
было обнаружено наличие трещин, образовавшихся в результате недо­
статка рабочей арматуры в железобетонном перекрытии. В связи с
этим было решено провести работы по усилению перекрытия.
Глава
6. Технология уси лени я к о нстр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
161
Рис. 6.27. Трещины в монолитном железобетонном перекрытии
Прорабатывалось несколько вариантов усиления металлическими
конструкциями, например установка металлических рам под монолит­
ное перекрытие. Однако данные способы усиления вели к уменьше­
нию высоты жилого помещения и к уменьшению габаритов квартиры
в плане. Единственным решением по усилению монолитного перекры­
тия без изменения габаритов помещения было использование компо­
зиционных материалов.
На основании проектной документации на устройство межэтажного перекрытия была собрана вся необходимая информация для пове­
рочного расчета и расчета усиления при определении необходимого
количества материала усиления.
Перед проведением работ по усилению конструкций требовалось
предварительно не только подготовить поверхность под приклеивание
композиционного материала, но и залечить трещины в теле бетона
(рис. 6.27).
Для восстановления целостности перекрытия была применена тех­
нология уплотнения трещин специальным укрепляющим составом.
При этом последовательно производились работы по подготовке повер­
хности участка перекрытия в зоне уплотнения трещин, по заделке устья
трещин специальным ремонтным составом на основе цемента, монтажу
162
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж ел езоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
Рис. 6.28. Нагнетание укрепляю щ его состава в трещ ины плиты перекрытия
пакеров, подготовке укрепляющего состава, нагнетанию его в полости
трещин, промывке оборудования и демонтажу пакеров (рис. 6.28).
Далее поверхность подверглась механической обработке для уда­
ления цементного молока с поверхности бетона с использованием
шлифовальной машинки (рис. 6.29).
После подготовки поверхности осуществлялось приклеивание по­
лос композиционного материала к поверхности бетона (рис. 6.30).
Усиление композиционными материалами железобетонных
плит в процедурной корпуса № 1 ЦКБ в Кунцево (рис. 6.31). В со­
став работ на данном объекте входила разработка проектного пред­
ложения на усиление плит с применением композиционных матери­
алов, а также выполнение строительных работ но ремонту и усиле­
нию. Необходимость в усилении плит возникла ввиду предстоящей
установки в процедурной нового магнитного томографа общим ве­
сом 120 к11 (рис. 6.32).
Проектное предложение по усилению трех железобетонных плит
процедурной корпуса № 1 ЦКБ в Кунцево выполнено в соответствии
с исходными данными, предоставленными ГУП М Н И И Н «Мосироект-4» и результатами диагностического обследования, выполнен­
ного ЗЛО «Триада-Холдинг».
Гл а в о
6. Т ехнология уси лени я к о н с т р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
163
Рис. 6.29. Удаление цементного молока с поверхности ж елезобетонного нерекры гия
Конструктивное решение перекрытия процедурной корпуса № 1
ЦКБ в Кунцево представлено несущими кирпичными стенами, на кото­
рые опираются железобетонные многопустотные плиты. Расчетные на­
грузки в виде четырех сосредоточенных сил передаются непосредственно
па железобетонные плиты. В качестве временных длительных нагрузок
учитывались нагрузки от лабораторий учреждений здравоохранения, от
магнита, клетки Фарадея, магнитного экрана. В качестве постоянных на­
грузок учитывался вес от керамической плитки, цементной стяжки, вы­
равнивающего бетонного слоя и собственный вес железобетонной плиты.
Проектным предложением принята схема усиления железобетон­
ных плит по нижней грани углепластиковыми лентами композицион­
ного материала S&P Laminate 150/2000 для восприятия растягиваю­
щих напряжений при изгибе.
Ремонт железобетонных плит осуществлялся с применением быстросхватывающегося модифицированного состава для ремонтных ра­
бот в зоне, подлежащей усилению, а также в местах выполнения защ и­
ты оголенной арматуры от коррозии.
Особенностью проектирования усиления данных плит являлось то
обстоятельство, что примерно десять лет назад три рядом расположен-
164
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
Рис. 6.30. Приклеивание полос композиционного материала на плиту пере­
крытия
Рис. 6.31. Общий вид корпуса № 1
Глава
6. Т е хн оло ги я у си л ен и я ко нстр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
165
Рис. 6.32. М агнитный томограф в помещении процедурной
ные многопустотные плиты были объединены в одну конструкцию с
помощью монолитной железобетонной плиты усиления, выполненной
над многопустотными плитами (рис. 6.33).
Д ля совместности работы плит верхняя железобетонная плита
объединена с нижней посредством заполнения бетоном вскрытой по­
лости. При проектировании усиления многопустотных плит с приме­
нением композиционных материалов заполненные монолитным бето­
ном пустоты служили, во-первых, поперечным армированным бетон­
ным сечением для восприятия растягивающих напряжений в полосах
композиционного материала и, во-вторых, местом анкеровки углепла­
стиковых лент анкерными пластинами, закрепленными на металли­
ческие шпильки (рис. 6.34, 6.35).
Накопленный опыт применения ламинатов для усиления строи­
тельных конструкций является в целом безусловно положительным,
т. е. во всех случаях усиленные конструкции находятся в эксплуатаци­
онном состоянии без признаков деформирования и разрушения.
Опыт применения композиционных материалов для усиления
строительных конструкций фирмой ЗАО «Триада-Холдинг» и анализ
мирового опыта применения этих материалов для внешнего усиления
железобетонных конструкций показали, что каждый проект усиления
166
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезоб етонны х конструкций композиционны м и м а те р и а л а м и
Р и с . 6.33. Схема устройства плиты усиления нал многопустотными ж еле­
зобетон ными плитами
М е сто приложения сосредоточенное наерузки
Р и с . 6.34. П оперечное сечение ж елезобетонной плиты е установленными
у глеи.ластиковыми лентами
♦
%
Р и с. 6.35. Усиленная полосами композиционного материала железобетон­
ная плита е анкеровкой концевых участков
Глава
6. Т е хн оло ги я у с и л ен и я к о н ст р у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
167
имеет свои особенности, свою специфику и является по-своему уни­
кальным. Помимо обычного расчета площади поперечного сечения
внешней арматуры усиления необходимо учитывать тщательность анкерования концевых участков полос ламината и свести к минимуму
риск преждевременного отслоения и разрушения усиливаемой конст­
рукции в процессе выполнения ремонтных работ.
Повышение надежности функционирования н долговечности же­
лезобетонных конструкций путем их усиления композиционными ма­
териалами может быть достигнуто только с использованием системно­
го подхода. Учитывая комплексность работ по ремонту и усилению,
требования к качеству используемых материалов и выполнения работ,
проектирование и производство работ целесообразно выполнять сила­
ми специализированных организаций, имеющих соответствующие
высококвалифицированные научные, инженерные и рабочие кадры и
использующих высококачественные сертифицированные ремонтные и
ком позиционные материал ы.
ОСНОВНЫ Е ОБОЗНАЧЕНИЯ
Внешние нагрузки, воздействия и усилия
от них в поперечном сечении элемента
М - изгибающий момент;
МсЛ и Qj.\ - изгибающий момент и поперечная сила в сечении,
расположенном на расстоянии «с» от опоры;
М0 - изгибающий момент перед усилением конструкции;
Ms - несущая способность изгибаемого железобетонного элемента;
Msfi - несущая способность изгибаемой железобетонной конструкции
перед ремонтом и усилением;
Msv - первоначальная несущая способность изгибаемого
железобетонного элемента на стадии строительства:
N - продольная сила;
N(l - растягивающее усилие, действующее в анкеровке;
Nantax - максимальное растягивающее усилие в анкеровке;
iV„ - несущая способность усиленной колонны;
ДГ — це щрально приложенная осевая нагрузка на колонну;
Р - внешняя нагрузка от сосредоточенной силы;
(RJck ~ фактическая несущая способность подлежащей усилению
железобетонной конструкции;
(R*)nk ~ несущая способность усиленной железобетонной конструкции;
Q - поперечная сила;
& - поперечное усилие, воспринимаемое бетоном;
Q. - поперечное усилие, воспринимаемое композиционным материалом;
Q,a. - поперечное усилие, воспринимаемое хомутами;
Qf - отрывающее усилие в клеевом шве;
Т/ - сдвигающее усилие в клеевом шве;
q - равномерно распределенная внешняя постоянная нагрузка;
р - временная внешняя нагрузка.
Прочностные характеристики материалов
Rb, Rbser - расчетные сопротивления бетона осевому сжатию
для предельных состояний соответственно первой и второй групп;
Rht, Rbt.ser - расчетные сопротивления бетона осевому растяжению
для предельных состояний соответственно первой и второй групп;
Rbt i - расчетное сопротивление бетона сжатию при изгибе;
Rbo - расчетное сопротивление сжатию бетона, усиленного обоймой
из КМ;
R j - фактическое сопротивление бетона сжатию по данным
диагностического обследования;
Rbu - кубиковая прочность бетона на сжатие;
О сн овн ы е обозначения
169
/?,. - расчетная прочность на растяжение композиционного материала;
Rcn - нормативная прочность на растяжение композиционного материала;
Rcf - прочность на растяжение композиционного материала
по данным фирм-производителей;
R j - прочность на растяжение фибры (волокон) композиционного
материала;
Rm - прочность на растяжение отверждающей полимерной матрицы;
Rou - расчетная прочность на растяжение обоймы из композиционного
материала;
Rs, RSi ser - расчетные сопротивления стальной арматуры растяжению
для предельных состояний соответственно первой и второй групп;
Rx - расчетное сопротивление стальной арматуры сжатию
для предельных состояний первой группы;
Rs„- - расчетное сопротивление растяжению стальной поперечной
арматуры;
ф - угол внутреннего трения бетона.
Деформационные характеристики
Еь - начальный модуль упругости бетона;
Eb.red - приведенный модуль деформации сжатого бетона
на участке с трещинами;
Ес - расчетный модуль упругости композиционного материала;
Ecf - модуль упругости композиционного материала по данным
фирм-производителей;
Ef - модуль упругости фибры (волокон) композиционного материала;
Ет - модуль упругости отверждающей полимерной матрицы;
Es - модуль упругости стальной арматуры;
Ga - модуль сдвига адгезива;
еь - деформация крайне сжатого волокна бетона;
ebtred - деформация бетона в растянутой зоне на участке с трещинами;
Чсо ~ максимальная деформация крайне сжатого волокна бетона перед
усилением;
£b0 - деформация сжатия бетона при его максимальной
прочности на сжатие R после усиления обоймой из КМ;
еу ~ деформация крайне растянутого волокна бетона;
£btm ~ средняя деформация крайне растянутого волокна бетона;
еыо - максимальная деформация крайне растянутого волокна бетона
перед усилением;
Чи ~ предельная деформация сжатия бетона;
ег - деформация растяжения композиционного материала;
еС(1 - деформация растяжения композиционного материала,
зависящая от условий его эксплуатации;
£с/ - предельно допустимая деформация композиционного материала
по данным фирм-производителей;
гсп - нормативная деформация растяжения композиционного материала;
гср - расчетная деформация растяжения композиционного материала;
zcq - расчетная деформация растяжения композиционного материала
при усилении на действие поперечной силы;
е0 - тангенциальная деформация обоймы из КМ;
£ои - предельная тангенциальная деформация обоймы из КМ;
170
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетонны х конструкций ком позиционны м и м ате р и а л а м и
es - деформация растяжения стальной арматуры;
e ' s - деформация сжатия стальной арматуры;
v — коэффициент Пуассона для бетона.
Напряжения, действующие в сечении элемента
Оь - напряжения в бетоне;
а г - расчетные растягивающие напряжения в КМ;
о тг - соответственно главные сжимающие и растягивающие
напряжения в бетоне;
с0 - напряжения в обойме из композиционного материала;
с, - радиальные напряжения в бетоне конструкции, вызываемые
обоймой из КМ;
с гонах и
~ максимальные и минимальные радиальные напряжения
в бетоне, вызываемые обоймой из композиционного материала;
c rj, - радиальные напряжения в бетоне по высоте колонны;
а , - напряжения в растянутой стальной арматуре;
а'я. - напряжения в сжатой стальной арматуре;
Су - нормальные напряжения на концевых участках клеевого шва;
т - касательные напряжения, вызываемые действием поперечных сил;
хХу - касательные напряжения на концевых участках клеевого шва.
Геометрические характеристики
b - ширина прямоугольного сечения; ширина ребра таврового
и двутаврового сечений: ширина одной из сторон прямоугольной колонны;
Ьс - ширина ленты композиционного материала;
d -диаметр стержней арматурной стали;
d' - расстояние между внешним краем обоймы из КМ
и центром растянутой арматуры;
h - высота прямоугольного, таврового и двутаврового сечений; ширина
одной из сторон прямоугольной колонны;
hc0 - рабочая высота таврового сечения при его усилении КМ
по боковым поверхностям рсбер;
h 'f - высота полки таврового сечения в сжатой зоне;
а, а' — расстояние от равнодействующей усилий в продольной
растянутой и сжатой стальной арматуре до ближайшей грани сечения;
ат - ширина раскрытия трещин;
О/ - расстояние от опоры до верхней границы крайней к опоре наклонной
трещины;
- расстояние межту трещинами в растянутой зоне бетона;
h0 = h - а - рабочая высота сечения;
г - радиус колонны;
гс - радиус скругления угла прямоугольной колонны;
s - расстояние между осями лент усиления КМ;
s' — расстояние между лентами усиления КМ;
sstf. - расстояние между хомутами поперечной арматуры;
t - теоретическая толщина одного слоя холстового композиционного
материала;
ta - толщина адгезива;
t( толщина ленты композиционного материала;
tco - толщина обоймы из композиционного материала;
О сн овн ы е обозначения
171
ис - периметр ленты композиционного материала;
щ - периметр стальной арматуры;
х - высота сжатой зоны бетона после усиления конструкции КМ;
хи - высота сжатой зоны бетона перед усилением конструкции КМ
xsk - положение нейтральной оси перед усилением конструкции;
.ysr - положение нейтральной оси после восстановления несущей способ­
ности конструкции при помощи композиционных материалов;
у, - расстояние от наиболее растянутою волокна бетона до центра тяжес­
ти приведенного сечения;
^ = x /h 0 относительная высота сжатой зоны бетона;
Ъ,к - предельная относительная высота сжатой зоны бетона;
а - угол между главной ориентацией волокон
в композиционном материале и продольной осыо элемента;
9 - угол между наклонной трещиной и продольной осыо элемента;
zc - расстояние от точки теоретического обрыва до точки фактического
обрыва полосы композиционного материала;
А = Ан
(As + А \ ) - площадь всего бетона в поперечном
сечении элемента;
А
площадь сечения сжатой зоны бетона;
А/)Г - площадь сечения растянутой зоны бетона;
A bu - полная площадь сечения бетона, не охваченного усилением обоймой;
Л, - площадь сечения композиционного материала;
Aef - площадь эффективно усиленного бетонного ядра колонны;
А м - полная площадь сечения железобетонного элемента;
А,г,/ - площадь приведенного сечения элемента;
A s, А ', - площади сечения ненапрягаемой арматуры соответственно
растянутой и сжатой;
I) диаметр колонны;
[)„ - диаметр обоймы из композиционного материала;
L расстояние от опоры до конца ленты КМ;
- длина зоны анкеровки полосы композиционного материала;
Lnjmix ~ максимальная длина зоны анкеровки полосы КМ;
Р - шаг спирали из композиционного материала;
R - кривизна спирали из композиционного материала;
&Ьо> $ 1ю ~ статические моменты площадей сечения соответственно
сжатой и растянутой зон бетона относительно нулевой линии;
Sc - статический момент площади сечения КМ относительно
нулевой линии;
Smi - статический момент приведенного сечения элемента
относительно его центра тяжести;
S'so,
статические моменты площадей сечения соответственно
сжатой и растянутой стальной арматуры относительно
нулевой линии;
1/ю - момент инерции площади сечения сжатой зоны бетона
относительно нулевой линии:
1С - момент инерции площади сечения КМ относительно нулевой линии;
IrP(j - момент инерции приведенного сечения элемента относительно
его центра тяжести;
I'so’ ho ~ моменты инерции площадей сечения соответственно сжатой
и растянутой стальной арматуры относительно нулевой линии;
172
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
Wpi - момент сопротивления приведенного сечения элемента для крайне
растянутого волокна с учетом неупругих деформаций растянутого бетона;
Wre(j - момент сопротивления приведенного сечения элемента для крайне
растянутого волокна, определяемый как для упругого материала;
Мсгс - момент, воспринимаемый сечением нормальным к продольной
оси элемента при образовании трещин.
Коэффициенты и соотношения
а = Es/Eb - соотношение модулей упругости стальной арматуры и бетона;
Р = Ес/Е ь - соотношение модулей упругости КМ и бетона;
Рef - коэффициент эффективности охватывающего усиления колонн;
Ру - коэффициент, учитывающий форму колонны;
р/ - коэффициент, учитывающий сплошность усиления колонны
но се длине;
Pi - коэффициент, учитывающий особенности деформирования бетона
при трехосном сжатии;
Р2 - коэффициент, учитывающий изменение уровня радиальных
напряжений в бетоне в зависимости от формы колонны;
уа - коэффициент, учитывающий влияние наклонных трещин;
УЬс - коэффициент надежности по бетону при его работе на сжатие;
уЫ ~ коэффициент надежности по бетону при его работе на растяжение;
уст - коэффициент надежности по композиционному материалу;
у,е - коэффициент надежности по материалу для модуля упругости КМ;
уГ1 - коэффициент, учитывающий сцепление между композиционным
материалом и бетоном;
•уг2 - коэффициент, учитывающий тип волокна в КМ и условия
эксплуатации;
Уз - коэффициент, учитывающий непосредственное воздействие
агрессивной внешней среды;
Yf/ - коэффициент условий работы при усилении железобетонных элемен­
тов на действие поперечной силы;
7 1 - коэффициент, учитывающий прочность бетона на сжатие;
72 - коэффициент, учитывающий схему усиления конструкции;
8 - коэффициент остаточной прочности бетона;
Т) — коэффициент ограничения уровня напряжений в композиционном
материале;
kc - коэффициент, учитывающий плотность бетона;
kb - коэффициент, учитывающий геометрические размеры конструкции
и полосы композиционного материала;
р. — коэффициент армирования конструкции продольной стальной
арматурой;
ЙЬг = Abt/Ag — отношение плошади бетона, работающей на растяжение,
ко всей площади сечения;
рг - коэффициент армирования конструкции композиционным
материалом;
р, — коэффициент армирования бетона растянутой стальной арматурой;
Psum ~ суммарный коэффициент армирования конструкции в растянутой
зоне стальной арматурой и композиционным материалом;
X ~ коэффициент, учитывающий схему усиления конструкции
на действие поперечной силы.
СПИ СО К Л И ТЕ Р А ТУР Ы
1. Wolf R., Miesser H.J. HLV-Spannglieder in der Praxis, Erfahrungen M it
Glasfaserverbundstaben, Beton, 2. 1989. pp. 47 - 51.
2. СНиП 52 - 01 - 2003. Бетонные и железобетонные конструкции Основные
положения. — М.: ГУП ЦПП, 2004. - 24 с.
3. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции/Госстрой Рос­
сии. - М.: ГП ЦПП, 1996. 76 с.
4. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / Минстрой России. - М.:ГП ЦПП,
1996. - 214с.
5.
СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. — М Стройиздат, 1986.
6. СП 53-102-2004. Свод правил по проектированию и строительству. Общие
правила проектирования стальных конструкций. — М.: ГУП ЦПП, 2004.
7.
СНиП 2.03.06-85. Алюминиевые конструкции. — М Стройиздат, 1986.
8. СНиП 11-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. — М.: Стройиз­
дат, 1983.
9.
СНиП 11-25-80. Деревянные конструкции. — М.. Стройиздат, 1981
10. СНиП 11-94 - 80. Подземные горные выработки. — М.: Стройиздат, 1982.
11. СНиП 11-40-80. Метрополитены. М.: Стройиздат, 1984.
12. СНиП 2.06.09-84. Тоннели гидротехнические. — М.: Стройиздат, 1985.
13. СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. — М : Гос­
строй России, 1997.
14. Круглов В .М ., Устинов В .П ., Бобылев К .Б ., Бокарев С.А. Обеспечение
надежности инженерных сооружений. Транспортное строительство, № 1. 2003.
С. 13 - 14.
15. Dajun D ., Dinghai Н. Using Cathodic Protection Technique in China. Repair &
Rehabilitation. 2001, pp. 83 - 86.
16. Vimmr V. Future Performance - Discussion on Industry Response to Owners'
Aspirations. CON REP NET, Network Newsletter, November, 2004.
17. Vaysburd A.M., Emmons P.E. Visible and Invisible Problems of Concrete
Repair. Repair & Rehabilitation, ICS Compilation, 2001.
18. Shridhar R .? Y. P. Kapoor. Pole of Construction Chemicals in Ensuring
Durability of Concrete Structures. Repair & Rehabilitation, 2001, pp. 126 - 130.
19. King N.P. Efficient Concreting Practice: A Review of C urrent Procedures.
Proceedings of the International Conference Concrete - 2000, E&FN Spon, 1993,
pp. 265 - 277.
174
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж е л е з о б е т о н н ы х к о н стр у к ц и й к о м п о з и ц и о н н ы м и м а т е р и а л а м и
20. Neville A. Neville in Concrete. An Examination of Issues in Concrete Practice.
ACT International, 2004.
21. Калинин A.A. Обследование, расчет и усиление зданий и сооружений: Учеб.
нособие/АСВ. — М., 2002. — 160 с.
22. Рекомендации но восстановлению и усилению полносборных зданий полимеррастворами / ТбилЗП И И Э П . — М.: Стройиздат, 1990. — 160 с.
23. Рекомендации по усилению железобетонных конструкций зданий и соору­
жений / Харьковский ПромстройНИИпроект. — Харьков, 1985.
24. Рекомендации по обеспечению долговечности и надежности строительных
конструкций гражданских зданий из камня и бетона с помощью композицион­
ных материалов / ПИЛЭП О ИСИ. — М.: Стройиздат, 1988. — 160 с.
25. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных
зданий и сооружений. - М.; Л.: Стройиздат, 1965. - 342 с.
26. Гвоздев А.А., Васильев А.П., Дмитриев С.А. Изучение сцепления нового
бетона со старым. - М. - Л.: Глав. Ред. Строит, лит., 1936. - 58 с.
27. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций изменением их
конструктивной схемы. - М.: Стройиздат, 1949. - 88 с.
28. Литвинов И.М. Усиление и восстановление железобетонных конструк­
ций. - М. - Л.: Стройиздат 11арко.мстроя, 1942. - 96 с
29. Пинаджян В.В. К вопросу усиления железобетонных конструкций //С т р о ­
ительная промышленность. - 1948. № 3. С. 14—17.
30. Инструкция но усилению и восстановлению железобетонных конструкций
методом инж. Литвинова. - Харьков: Харьк. обл. полигр. ф-ка, 1948. - 39 с.
31. Стрункин А.Д. Исследование работы железобетонных балок, усиленных
стальными шпренгелями / / Строительная промышленность, 1951. № 6. С- 18 22.
32. Михайлов В.В. Восстановление железобетонных конструкций с примене­
нием расширяющегося цемента. - М.: Стройиздат, 1945. - 28 с.
33. Физдель И.А. Дефекты в конструкциях, сооружениях и методы их устра­
нения. - М.: Стройиздат, 1987. - 335 с.
34. Филиппов А.И. Линейная и нелинейная теория расчета стержневых арми­
рованных конструкций: Автореф. дис. ... доктора техн. наук. - Л., 1987. - 28 с.
35. Лоссье А. Недостатки железобетона и их устранение (нер. с франц.). - М.:
Госстройиздат, 1958. - 120 с.
36. Kani G. Spannbeton in E ntw urf und Ausfiihrung. S tu ttg art. W ittw er,
1955, - 573 s.
37. Leonhart F. Spannbeton fiir die Praxis. - Berlin, 1955, 472 s.
38. Лозовой Ю .И., Булич В.И. Термический метод усиления железобетонных
ригелей под нагрузкой / / Промышленное стр-во, 1963, № 4. С. 41—42.
39. Хило Е.Р., Попович Б.С. Усиление железобетонных конструкций с измене­
нием расчетной схемы и напряженного состояния. - Львов: Изд-во при Львов,
ун-те, 1976. - 147 с.
40. Хило Е.Р., Попович Б.С. Усиление строительных конструкций. - Львов,
Изд-во при Львов, ун-те, 1985. - 185 с.
175
С п и с о к л и те р а ту р ы
41. Хохолев К.И ., Рогинский М .З., Лапшин Н.Г. Использование эпоксидных
клеев для устранения дефектов в бетонных и железобетонных конструкциях.
Киев, Н И И СП Госстроя УССР, 1970. - 32 с.
42. Микульский В.Г. Склеивание бетона. - М., 1975.
240 с.
43. Мэттьюз Ф ., Ролингс Р. Композитные материалы. Техника и технология.
— М.: Техносфера, 2004. - 408 с.
44. Huang X., Birman V., Nanni A., Tunis G. Properties and Potential for
Application of Steel Reinforced Polymer (SR P) and Steel Reinforced G rout (SRG)
Composites. Internet. University of Missouri-Rolla, 2003, 27 p.
45. Wu W. Termomechanical Properties of Fiber Reinforced Plastics (F R P ) Bars.
PhD dissertation, West Virginia University, Morgantown, W.Va., 1990, 292 pp.
46. Kumahara S., Masuda Y. and Tanano Y. Tensile Strength of Continuous Fiber
Bar under High Temperature. International Symposium on Fiber-Reinforced Plastic
Reinforcement for Concrete Structures, SP-138, American Concrete Institute,
Farmington Hills, Mich., 1993, pp. 731—742.
47. Yamaguchi Т., Kato Y., Nishimura Т., Uomoto T. Creep Rupture of FRP Rods
Made of Aramid, Carbon and Glass Fibers. Third International Symposium on NonMetallic (F R P ) Reinforcement for Concrete Structures (FR PR CS-3), V. 2, Japan
Concrete Institute, Tokyo, Japan, 1997, pp. 179—186.
48. Bennett R. Carbon fibre dangers compare with asbestos, New Civil Kngineer, 20
July 2000, p. 10.
49. Thanasis C. Triantafillou. General concepts and design aspects
M aterials
and techniques. R etrofitting of concrete structures by externally bonded FRPs,
Technical Report, bulletin 35, International Federation for Structural Concrete
(fib), 2006, pp. 1—27.
50. ГОСТ 27751-88 (CT СЭВ 384-87) Надежность строительных конструкций и
оснований. Основные положения по расчету. - М.: Изд-во стандартов. 1988. - 10 с.
51. ГОСТ 27.410-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и оп­
ределения. — М.: Изд-во стандартов, 1990. - 37 с.
52. Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности
железобетонных конструкций. - М.: ГУП «Н И И Ж Б», 2000. - 92 с.
53. Положение но оценке состояния и содержания искусственных сооружений на
железных дорогах Союза ССР. Утв. МПС 17.09.90. — М.: Транспорт. 1991. — 28 с.
54. Инструкция по проведению осмотров мостов и труб на автомобильных до­
рогах. ВСН 4 - 81. Утв. МАД 31.03.81. - М.: 1990. - 35 с.
55. Шилин А.А. Стратегия ремонта железобетонных конструкций подземных
сооружений с учетом их состояния и требуемого уровня надежности / / Науч­
ное обоснование подземного строительства: Избранные труды ученых МГГУ.
М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. С. 301 - 344.
56. Шилин А.А., Павлов О.Н., Кириленко А.М. Эксплуатация и ремонт несу­
щих конструкций тоннелей инженерных коммуникаций в г. Москве. В кн.: Про­
блемы строительной геотехнологии. Строительство и эксплуатация подземных
сооружений и шахт. - М.: МГГУ, 2000. С. 102 - 116.
176
В н еш н ее а р м и р о в а н и е ж елезобетон н ы х конструкций ком позиционны м и м а те р и а л а м и
57. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. - М.: Мир,
1980.
58. Shilin А.А., Kirilenko A.M., Pavlov O.N. Reliability-based maintenance of
reinforced concrete structures in urban tunnels. Proc. 2IK' Intern. Conf. «Concrete
under severe conditions - CONSEC - 98», June 1998, Tromso, Norway, vol.2, E&FN
Spon. London N Y., pp 1241 - 1250.
59. Sorensen J.D . and Christensen H.H. Danish Requirements for Robustness of
Structures: Background and Implementation. Structural Engineering International,
No. 2, 2006, pp. 172 - 177.
60. Kliger H. Repair of parking structures, FRP International, Vol. IV, Issue 4,
autum n 1996, pp. 3 - 4 .
61. Alexander J.G .S., Cheng J.J.R. Field application and studies of using CFRP
sheets to strengthen concrete bridge girders. In: El-Badry, M. Advanced composite
materials in bridges and structures. Canadian Society for Civil Engineering,
Montreal, 1996, pp. 465 -472.
62. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for
Strengthening Concrete Structures. Reported by ACI Committee 440, ACI 440.2R-02,
2002. - 45 pp.
63. Nabil F. Grace. Concrete Repair with CFRP. Concrete International, 2004, May,
pp. 45 - 52.
64. Blaschko M , Niedermeier R., Zilch K. Bond failure modes of flexural members
strengthened with FRP. In Proceedings of Second International Conference on
Composites in Infrastructures, Saadatmanesh, H. and Ehsani, M .R , eds., Tucson,
Arizona, 1998, pp. 315 - 327.
65. Jansze W. Strengthening of reinforced concrete members in bending by
externally bonded steel plates. PhD dissertation, TU Delft, The Netherlands.
66. Arduini M , Nanni A., Romagnolo M. Performance of Decommissioned
Reinforced Concrete Girders Strengthened with Fiber-Reinforced Polymer
Laminates. ACI Structural Journal/Septem ber-O ctober, 2002, pp. 652 - 659.
67. Байков B .H ., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс:
Учеб. для вузов - М : Стройиздат. 1991. - 767 с.: ил.
68. Triantafillou Т.С., Antonopoulos С.P. Design of concrete flexural members
strengthened in shear with FRP. — ASCE Journal of Composites for Construction, 4
(4), 2000, pp. 198 - 205.
69. Triantafillou T.C. Shear Strengthening of Reinforced Concrete Beams Using
Epoxy-Bonded FRP Composites. ACI Structural Journal. V. 95. No. 2, 1998, pp.
1 0 7 - 115.
70. Adhikary B.B., Mutsuyoshi H ., Ashraf M. Shear Strengthening of Reinforced
Concrete Beams Using Fiber-Reinforced Polymer Sheets with Bonded Anchorage
ACI Structural Journal, V. 101, No.5, 1998, pp. 660 - 668.
71. Colotti V., Spadea G., Swamy R.N. Analytical Model to Evaluate Failure
Behavior of Plated Reinforced Concrete Beams Strengthened for Shear. ACI
Structural Journal, V. 101, No. 6, 2004, pp. 755 - 764.
С п и со к литературы
177
72. Bousselham A., Chaallal О. Behavior of Reinforced Concrete T-Beams
Strengthened in Shear with Carbon Fiber-Reinforced Polymer - An Experimental
Study. ACI Structural Journal, V 103, No.3, 2006, pp. 339 - 347.
73. Khalifa A., Gold W., Nanm A., Abel-Aziz M, Contribution of Externally
Bonded FRP to the Shear Capacity of RC Flexural Members. Journal of Composites
in Construction. V. 2, No. 4, pp. 195 - 203.
74. Holzenkampfer P. Ingenieurmodelle des verbundes geklebter bewehrung fur
betonbauteile. TU Braunschweig, Germany, 1994.
75. R ostasy F.S., Holzenkampfer P., Hankers С Geklebte Bewehrung fur die
Verstarkung von Betonbauteilen. In Betonkalender, 1996. II. 547 576
76. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тя­
желого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52 - 101 - 2003).
ЦНИИПромзданий, НИИЖ Б. - М.: ОАО «ЦНИИПромзданий», 2005. - 214 с.
77. Yamaguchi Т., Nishimur, Т., Uomoto Т. Creep model of FRP rods based on fibre
damaging rate In Proceedings of 1st International Conference on Durability of Fibre
Reinforced Polymer (F R P ) Composites for Construction, Eds. B. Benmokrane and
H Rahman, Sherbrooke, Canada, 1998, 427—437.
78. Roberts T.M. Approximate analysis of shear and normal stress concentrations
in the adhesive layer of plated RS beams. The Structural Engineer, 1989, 67(12),
22 9 -233.
79. Руководство по усилению железобетонных мостов методом наклейки по­
верхностной арматуры. Минавтодор РСФСР. — М.. 1987. - 29 с.
80. Neubauer U., Rostasy, F.S. Design aspects of concrete structures strengthened
with externally bonded CFRP-plates. In Concrete+Composites, Proceedings of the
7th International Conference on Structural Faults and Repair. 1997, 2, pp. 109—118.
81. Mander J.B ., Priestly
Park R. Theoretical stress-strain model for
confined concrete, ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 114 No. 8. 1988,
pp. 1804-1826.
82. Lilistone D ., Jolly C.K. An innovative form of reinforcement for concrete
columns using advanced composites, The Structural Engineer, Vol. 78, No. 23/24, 5
December 2000.
83. Arduini M. et al. Il confinamento passivoo di elementi compressi in calcetruzzo
con fogli di materiale composito, Industria Italiana del Cemento, 1999.
84. Seible F., Burgueno R., Abdallah M.G., Nuismer R. Advanced composite
carbon shell systems for bridge columns under seismic loads, Progress in research and
practice. In Proceedings of National Seismic Conference on Bridges and Highways,
San Diego, 1995.
85. Spoelstra M .R., Monti G. FRP-confined concrete model. Journal
Composites for Construction. ASCE, 3(3), 1999, pp. 143—150.
of
86. Matthys S Structural behavior and design of concrete members strengthened
with externally bonded FRP reinforcement. Doctoral thesis, Gent University, 2000.
87. Triantafillou T.C. Seismic retrofitting of structures using FRPs. Progress in
Structural Engineering and Materials, 3(1), 2001.
178
В н е ш н е е а р м и р о в а н и е ж елезоб етон н ы х конструкций ком позиционны м и м ате р и а л а м и
88 TengJ.G., Chen J.F., Smith S Т., Lam L. FRP Strengthened RC Structures. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd. — 245 p.
89. Richart F.E., Brandtzaeg A., Brown R.L. A study of the failure of concrete
under combined compressive stresses, Engineering Experimental Station, Bulletin
No. 185, 1928, University of Illinois.
90. I.A.E.M. Shehata, L.A.V. Carneiro and L.C.D. Shehata. Strength of Short
Concrete Columns Confined with CFRP Sheets. Materials and Structures, Vol. 35,
January-Februarv 2002, pp. 50 - 58.
91. Matthys S., Toutanji H., Audenaert K., Taerwe L. Axial Load Behavior of
Large-Scale Columns Confined with Fiber-Reinforced Polymer Composites. ACI
Structural Journal/M arch-A pril, 2005, pp. 258 - 267.
92. Samaan М., Mirmiran A., Shahawy M. Model of Concrete Confined by Fiber
Composites. - Journal of Structural Engineering, ASCE, V. 124. No 9. 1998, pp.
1 0 2 5 - 1031.
93. Saafi М., Toutanji H A., Li Z. Behavior of Concrete Columns Confined with FiberReinforced Polymer Tubes. ACI Materials Journal, V. 96, No. 4, 1999, pp. 500 - 509.
94. Miyauchi K., Inoue S., Kuroda Т., Kobayashi A. Strengthening Effects of
Concrete Columns with Carbon Fiber Sheet. - Transactions of the Japan Concrete
Institute, V.21, 1999, pp. 143 - 150.
95. Cuninghame J.R ., Jordan R.W., Assejev A. Fibre reinforced plastic
strengthening of bridge supports to resist vehicle impact Project report, Transport
Research Laboratory, Crowthorne, 1999.
96. The Highways Agency. Advice Note BA 30/94, Strengthening of concrete highway
bridges using externally bonded plates, London, Department of Transport, 1994.
97. Triantafillou T.C., Deskovic N. (1991), Innovative prestressing with FRP
sheets: mechanics of short-term behavior. Journal of Engineering Mechanics, ASCE,
117(7), 1652 - 1672.
98. Triantafillou T.C., D eskovic N. and Deuring M. (1992), Strengthening of
concrete structures with prestressed fiber reinforced plastic sheets. ACI Structural
Journal, 89(3), pp 235 - 244.
99. Blaschko М., Zilch K. (1999), Rehabilitation of concrete structures with CFRP
strips glued into slits. In Proceedings of the 12th International Conference on
Composite Materials, Paris. July 5 - 9.
100. Triantafillou T.C., Papanicolaou C.G., Zissimopoulos P., Laourdekis T.
C oncrete Confinement with Textile-Reinforced M ortar Jackets. - ACI Structural
Journal/January-February, 2006, pp. 28 - 37.
101. Kurtz S, Balaguru P. Comparison of Inorganic and Organic Matrices for
Strengthening of RC Beams with Carbon Sheets. - Journal of Structural
Engineering, ASCE, V. 127, No. 1, 2001, pp. 35 - 42.
102. Toutanji H ., Deng J., Jia M. Fatigue Performance of RC Beams Strengthened
with CF Sheets Bonded by Inorganic Matrix. - FRPRCS-6 Fiber Reinforced
Polymer Reinforcement for Concrete Structures, K.H. Tan, ed., World Scientific
Publishing Co., 2003, V. 2, pp. 875 - 884.
С п и с о к л и те р а ту р ы
179
103. Gardiner Т., Currie В. Flexural Behavior of Composite Cement Sheets Using
Woven Polypropylene Mesh Fabric. - International Journal of Cements Composites
and Lightweight Concrete. V. 5, 1983. pp. 193 - 197.
104. Curbach М., Jesse F. High-Performance Textile-Reinforced Concrete. Structural Engineering International, IABSE, V. 4. 1999. pp. 289 291.
105. Mu B., Meyer C. Flexural Behavior of Fiber Mesh-Reinforced Concrete with
Glass Aggregate. - ACI Materials Journal, V. 99, No. 5. Sept.-Oct. 2002. pp. 425 434.
106. Triantafillou T.C., Papanicolaou C.G. Shear Strengthening of Reinforced
Concrete Members with Textile Reinforced M ortar (T R M ) Jackets. - Materials and
Structures, 2006. Vol. 39. Issue No. 1 (RILEM 285).
107. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах. - М.: С трой издат.
1981.
108. ТСН 22-302-2000. Строительство в сейсмических районах Краснодарско­
го края.
109. Katsumata Н., Kobatake Y., Takeda Т. A Study on Strengthening with
Carbon Fibre for Earthquake-Resistant Capacity of Exiting Reinforced Concrete
Columns, — Proceedings of the Ninth World Conference on Earthquake Engineering,
Tokyo - Kyoto, Japan, 1988, V. VII, pp 517 - 522.
110. Matsuda Т., Sato Т., Fujiwara.H., Higashida N. Effect of Carhon Fibre
Reinforcement as a Strengthening Measure for Reinforced Concrete Bridge Piers.
Proceedings of 1st US-Japan Workshop on Seismic Retrofit of Bridges, Public Works
Institute, Ministry of Construction, Tsukuba, Japan, 1990. pp. 356 - 374.
111. Priestley M.J.N., Seible F. Design of Seismic Retrofit Measures for Concrete
and Masonry Structures, — Construction and Buildings Materials, 1995, V. 9, No. 6,
pp. 365 - 377.
112. Xiao YMMa R. Seismic Retrofit of RC Circular Columns Using Prefabricated
Composite Jacketing. - Journal of Structural Engineering, ASCE, 1997, V. 123, No.
10, pp. 1357 - 1364.
113. R etrofitting of Concrete Structures by Externally Bonded FRPs with
Emphasis on Seismic Applications. - Technical Report, fib Bulletin No. 35, April
2006, 224 p.
114. Elhassan R.M., Hart G.C. Analysis and Seismic Strengthening of Concrete
Structures. - The Structural Design of Tall Buildings, 1995, V. 4, pp. 71 - 90.
115. Seible F., Priestley M.J.N., Hegemier G.A., Innamorato D. Seismic Retrofit
of RC Columns with Continuous Carbon Fiber Jackets. - Journal of Composites for
Construction, ASCE, 1997, V. 1, No. 2. pp. 52 - 62.
116. Priestly M.J.N., Seible F., Calvi G.M. Seismic Design and Retrofit of Bridges,
John Wiley & Sons, New York, USA, 1996.
117. Серегин И.Н ., Саканский Ю.Н. Методические рекомендации но совер­
шенствованию технологии устройства клееных стыков сборных железобетон­
ных конструкций пролетных строений и опор мостов при отрицательных тем­
пературах. — М.: СоюздорНИИ, 1973.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа