Пособие по усилению железобетонных конструкций с использованием композитных материалов. Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации

69
S
bo
– статический момент относительно той же оси площади сечения бетона растянутой зоны;
(h ‒ x) – расстояние от центральной оси до края растянутой зоны
b
s
E
Е


,
b
с
Е
E


Положение нейтральной оси усиленного элемента определяется из условия:
2
)
(
'
'
bt
с
so
so
bo
A
x
h
S
S
S
S








,
(31) где
S
bo
’
, S
so
’
, S
so
, S
c
– статические моменты относительно нейтральной оси площадей сечения бетона сжатой зоны, арматуры обеих зон и композитного материала;
А
bt
– площадь сечения бетона растянутой зоны.
Как показывают расчеты, в большинстве случаев влияние композитного материала на образование трещин в железобетонной конструкции не превышает 1% по сравнению с не усиленной конструкцией и этой величиной, исключая расчеты прямоугольных балок небольшого поперечного сечения, можно пренебречь.
После образования трещин в растянутых зонах железобетонных элементов при дальнейшем увеличении нагрузки происходит их раскрытие. В общем виде ширина раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента, представляет собой разность удлинений арматуры и растянутого бетона на участке между трещинами длиной l
cгс
, т.е.
a
cгс
=

s

l
сгс
‒

btm

l
сгс
(32)
Средней деформацией растянутого бетона в виду ее малости обычно пренебрегают и принимают a
cгс
=

s

l
сгс
В случае усиления железобетонной конструкции композитными материалами ширина раскрытия трещин будет определяться разностью удлинений арматуры и композитного материала на участке между трещинами
a
cгс
=

s

l
сгс
‒

c

l
сгс
(33)
Помимо этого, наличие в сечении композитного материала повлияет и на длину трещин l
сгс

70
СП 63.13330 рекомендует определять ширину раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента, на уровне оси растянутой арматуры по известной эмпирической формуле, полученной при анализе и обобщении многочисленных экспериментальных исследований.
Для определения ширины раскрытия трещин можно воспользоваться экспериментальными исследованиями и их обработкой, выполненными в работах
[52, 53].
Ширина раскрытия трещин при наличии композитного материала определяется по эмпирической формуле
)
694
,
0
(
1
,
2
c
s
sum
o
s
bt
crc
u
u
h
E
M
а







,
(34) где
М – максимальный изгибающий момент от эксплуатационных нагрузок, учитываемых при расчете железобетонных конструкций по образованию и раскрытию трещин, принимаемый согласно таблице 3 СП 63.13330;
h
b
A
bt
bt



‒ коэффициент части площади бетона, работающей на растяжение;
А
bt
– площадь части бетона, работающей на растяжение; принимается меньшее из двух значений А
bt
= 2,5(h ‒ h
o
) b или (h ‒ x) b/3;
o
s
c
c
s
sum
h
b
Е
Е
A
A





‒ суммарный коэффициент армирования сечения железобетонного элемента стальной растянутой арматурой и композитным материалом;
u
s
и u
c
– периметры стальной арматуры и композитного материала (в виду малой толщины КМФ и прилегания его к бетону одной стороной принимается u
c
=
b
c
).
Подставляя в выражение 34 допустимую ширину раскрытия трещин в зависимости от категории конструкции по трещиностойкости можно получить требуемую ширину композитного материала. Например, при допустимой ширине раскрытия трещин a
сгс2
= 0,3 мм требуемая ширина композитного материала составит:

71
s
sum
o
s
bt
c
u
h
E
M
b
44
,
1 1
,
10







(35)
Размерность данной формулы соблюдается, так как ширина раскрытия трещин подставляется в мм.
Из выражения (34) следует, что ширина раскрытия трещин будет меньше при большей ширине и небольшой толщине композитного материала. При использовании КМФ для высоких балок может случиться, что требуемая ширина
КМФ будет больше ширины самой балки. В этом случае по возможности следует применить КМФ большей толщины и с большим модулем упругости, что позволит увеличить значение

sum и тем самым снизить ширину раскрытия трещин или уменьшить требуемую толщину КМФ. Возможно также применение одновременно более одной полосы ламината, наклеивая их одну на другую. Однако в этом случае ухудшается суммарная работоспособность каждой полосы из-за наличия дополнительных клеевых соединений.
Небольшое количество КМФ может значительно увеличить несущую способность конструкции. Однако маленькая площадь поперечного сечения КМФ и в ряде случаев более низкий по сравнению со сталью модуль упругости
(композитные материалы на основе стекловолокна и арамида) дают в результате его небольшую жесткость Е
c

А
c
. Такая жесткость во многих случаях не позволяет значительно уменьшить кривизну железобетонного элемента и его прогиб. Поэтому для уменьшения кривизны и прогибов наряду с КМФ необходимо использовать другие способы усиления.
При эксплуатационных нагрузках для предотвращения чрезмерной ползучести бетона, текучести арматуры и разрушения КМФ требуются ограничения на напряжения в бетоне, стальной арматуре и композитном материале. При присоединении в растянутой зоне внешнего армирования из КМФ из условий равновесия вытекает, что сжимающие силы возрастут эквивалентно растягивающим. Поэтому, значительное изменение может наблюдаться в сжимающих напряжениях в бетоне. Для недопущения значительного сжатия бетона, развития трещин и его необратимых деформаций вводятся следующие ограничения на напряжения в бетоне

b
:

72
-

b

0,6R
b
от действия кратковременной нагрузки;
-

b

0,45 R
b
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 1, по формуле:

b
= E
b


b
, где

b определяется аналогично начальному состоянию с учетом усиления.
Для предотвращения разрушения стали, вводятся следующие ограничения:
- от действия кратковременной нагрузки
s
e
e
o
b
s
s
R
x
x
h
E
8
,
0






, где х
е
– положение нейтральной оси при статическом прочностном расчете по второй группе предельных состояний с учетом усиления композитными материалами.
Ограничение по напряжениям в КМФ имеет следующий вид:
- от действия длительной нагрузки c
bt о
e
e
b
с
с
R
x
x
h
E








)
(
; где

< 1 – коэффициент, ограничивающий напряжения в композитном материале и зависящий от его типа. Основываясь на экспериментальных исследованиях [54], можно рекомендовать

= 0,8 для КМФУ; 0,6 для КМФА и 0,3 для КМФС.
Дополнительно также проверяется возможность нарушения поверхностей раздела в системе «бетон ‒ клеящий состав ‒ композитный материал».
Максимальные концентрации напряжений в этой системе наблюдаются на концах приклеенного к бетону композитного материала и в местах дислокации трещин. При эксплуатационных нагрузках начальный процесс нарушения поверхности из-за уменьшения сцепления композитного материала может быть предотвращен так же, как сохраняется длительная целостность зоны анкеровки при циклических нагрузках или циклах «замораживание‒оттаивание». Для удовлетворения этого требования должно соблюдаться условие, что при длительной нагрузке по второй группе предельных состояний максимальное напряжение сдвига на конце полосы ламината
КМФ

с
, определенное в рамках теории упругости, меньше чем R
bt.ser
. В случае

73 дополнительной анкеровки конца полосы КМФ эта проверка не является необходимой. Один из вариантов определения

с
приведен в работе [56]:
red
e
c
x
a
c
c
x
c
I
x
h
t
M
t
t
E
G
Q
)
(
)
(
0 2
1 0
















,
(36) где
G
a
и t
a
– модуль сдвига и толщина клеящий состава между поверхностями бетона и композитного материала;
Q
x=0
и М
х=0
– поперечная сила и изгибающий момент, действующие в сечении, соответствующем концу полосы КМФ.
Локальное разрушение сцепления с образованием трещин может происходить и при расчетах по первому предельному состоянию. Однако при действии только эксплуатационных нагрузок этого вида разрушения можно избежать. Локальное разрушение может произойти, если перемещение поверхностей относительно друг друга будет больше величины s
cb
. Исследования же, выполненные в работе [55], показали, что продольное перемещение s
cb
составляет
0,224 мм, что соответствует ширине раскрытия трещины 2s
cb
= 0,45 мм, в то время как категориями требований по трещиностойкости допускается максимальное раскрытие трещин 0,4 мм. Из этого следует, что такой тип разрушения маловероятен.
В заключение этой главы на рисунке 19 приведена блок-схема проектирования усиления изгибаемых железобетонных конструкций композитными материалами.

74
Рисунок 19 ‒ Блок-схема проектирования усиления железобетонных конструкций композитными материалами

75
5 Прогнозирование разрушений усиленных конструкций в
предельных состояниях
5.1
Прочность усиленной конструкции по наклонным сечениям
Причины разрушения изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием композитными 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»);
- разрушение конструкции наступает ранее из-за отслоения композитного материала от бетона.
Общее разрушение конструкции может наступить в следующих случаях:
- пластическое разрушение арматуры растянутой зоны при достижении напряжениями в стержневой арматуре физического (условного) предела текучести с дальнейшим разрушением бетона сжатой зоны. Если конструкция армирована высокопрочной проволокой с малым относительным удлинением при разрыве
(около 4%), то одновременно с разрывом проволоки происходит раздробление бетона сжатой зоны. Разрушение в этом случае носит хрупкий характер.
Композитный материал при этом не разрушается;
- хрупкое разрушение бетона сжатой зоны в элементах с избыточным содержанием растянутой стальной арматуры и растянутого композитного материала. Применение внешнего усиления конструкции КМФ в данном случае малоэффективно;
- пластическое разрушение арматуры растянутой зоны при небольшом проценте армирования композитными материалами, что в первую очередь приводит к их разрыву и перераспределению нагрузки на внутреннюю стальную арматуру изза чего начинается ее разрушение.
Местное разрушение усиленной внешним армированием
КМФ железобетонной конструкции может произойти из-за потери сцепления между

76 бетоном и композитным материалом, а также из-за разрушения контактов слоев.
Хорошая адгезия между КМФ и бетоном прежде всего необходима для передачи действующих усилий с бетона на композитный материал усиления. Нарушение сцепления между поверхностью бетона и композитным материалом под действием нормальных и касательных напряжений приводит к местному разрушению конструкции, что необходимо учитывать при определении ее несущей способности с внешним армированием КМФ. Первоначально такой вид разрушения обычно происходит на участке с трещиной. При его распространении на другие участки внешний КМФ теряет способность воспринимать нагрузки и происходит его отслоение от бетона. Если при этом отсутствует возможность перераспределения напряжений с внешней арматуры из композитного материала на внутреннюю стальную, то отслоение может носить хрупкий характер и происходить внезапно.
В общем случае в результате ремонта и усиления железобетонной конструкции внешним армированием композитными материалами ее сечение представляет собой слоеный пирог (рисунок 20).
Рисунок 20 ‒ Возможные поверхности разрушения усиливаемой (ремонтируемой) железобетонной конструкции

77
Разрушение конструкции возможно по следующим пяти поверхностям:
- разрушение в старом бетоне непосредственно у склеиваемой поверхности или возле внутренней растянутой арматуры. В случае выполнения ремонтных работ этот тип разрушения относится и к используемому ремонтному составу. Отсюда вытекает требование к нормативной прочности на растяжение бетона или ремонтного состава 1,5–3,0 МПа;
- разрушение на границе между бетоном и ремонтным составом. Для предотвращения этого вида разрушения необходимо использовать системный ремонтный состав, обладающий высокой адгезией и с деформационными свойствами, близкими к деформационным свойствам существующего бетона, что обеспечит их совместную работу. Адгезия клеящий композиции к бетону в этом случае должна находиться в пределах 2,0–2,5 мПа;
- разрушение в клеящем составе. Прочность на растяжение системного клеящего состава обычно выше, чем у бетона, и поэтому разрушение происходит в бетоне. Разрушение по этой поверхности может произойти только при высокой температуре или при очень большой прочности бетона на растяжение.
Паропроницаемость усиливаемой строительной конструкции обеспечивается использованием системной паропроницаемой адгезионной системы (праймер, смола и покрытие PU);
- разрушение по контакту между бетоном и клеящем составом или между клеящем составом и полосой КМФ. Этот вид разрушения возможен только при некачественной подготовке бетонной поверхности в процессе приклеивания полосы композитного материала. Во всех случаях адгезия между слоями должна быть не менее 2,0–2,5 мПа;
- разрушение собственно композитного материала. В принципе такой вид разрушения возможен, так как КМФУ состоит из двух составляющих: углеродного волокна и отверждающего полимера. Однако на практике это возможно только при некачественной обработке поверхности, при неправильном проектировании усиления и при превышении действующих на конструкцию нагрузок предельных величин, принятых при проектировании.

78
Поведение контактного слоя между бетоном и приклеенным КМФ экспериментально исследовалось Bizindavyi L. и Neale K.W. [28]. Испытания проводились в условиях чистого сдвига. КМФУ шириной 50 мм и толщиной 1,2 мм был приклеен к бетонной поверхности на длине 250 мм. Исследовались величина напряжений сдвига и их максимальное значение по длине соединения в зависимости от уровня прилагаемой сдвиговой нагрузки. При небольшом уровне нагрузки сдвиговые напряжения в основном сконцентрированы у конца элемента, к которому приложена сдвиговая нагрузка. При возрастании нагрузки максимальные напряжения сдвига перемещаются по направлению к незагруженному концу соединения. Данное исследование не позволяет в полной мере оценить поведение контакта между внешним приклеенным КМФУ и бетоном, так как в нем не учитываются нормальные напряжения, перпендикулярные площадке сдвига и вызванные действием изгибающего момента.
Поведение поверхности сцепления между бетоном и внешней и внутренней арматурой может быть охарактеризовано зависимостью «напряжение сдвига – перемещение». Эта зависимость для различных видов арматуры исследовалась в работе [28]. Графики зависимости «напряжение сдвига – перемещение» для различных типов арматуры приведены на рисунке 21. На этих графиках сцепление с бетоном внешней арматуры из КМФУ толщиной 1,2 мм (кривая 1) сравнивается со сцеплением с бетоном внутренней периодического профиля (кривая 2) и гладкой
(кривая 3) стальной арматурой диаметром 12 мм. Как видно из графиков, потенциальная энергия сцепления КМФУ (площадь под кривой 1) много меньше потенциальной энергии, которой обладает сцепление с бетоном внутренней арматуры. Эта разница в потенциальных энергиях сцепления является фактором, оказывающим существенное влияние на распределение растягивающих усилий, передающихся на внутреннюю и внешнюю арматуру. Данное положение может быть использовано для расчета усилий анкеровки композитного материала и расчета по образованию и раскрытию трещин.
При испытаниях образцов с внешним армированием КМФУ на изгиб наиболее часто разрушение происходит в результате отслоения полосы

79 композитного материала от поверхности бетона. При этом наиболее слабым местом сцепления между полосой КМФУ и бетоном является бетон, расположенный вблизи поверхности соединения. В зависимости от начальной точки процесса разрушения выделяются следующие типы разрушения, представленные на рисунке 22 [29].
Тип 1. Разрушение начинается в ненарушенной трещинами зоне анкеровки.
Композитный материал может отслоиться в этой зоне в результате излома бетона под действием сдвигающих напряжений на контакте слоев.
Тип 2. Отслоение КМФУ происходит в результате образования трещин изгиба от действия внешней нагрузки. Трещины изгиба в бетоне, первоначально нормальные к продольной оси элемента, могут далее распространяться горизонтально. В этом случае отслоение полосы композитного материала произойдет в центральной части конструкции в отдалении от зон анкеровки.
Тип 3. Отслоение КМФУ в результате образования наклонных трещин, которые образуются в результате совместного действия нормальных и касательных напряжений и могут быть доминантными при отслоении полосы композитного материала. Однако, в конструкциях с достаточным внутренним и внешним поперечным армированием образование таких трещин маловероятно и отслоение композитного материала возможно только при недостаточном поперечном армировании.
Тип 4. Отслоение композитного материала может быть вызвано и неровностями поверхности бетона. Неровность и шероховатость бетонной поверхности могут служить причиной начальной местной потери сцепления полосы
КМФУ с бетоном, которая может распространиться далее и стать причиной отслоения.

80
Рисунок 21 ‒ Зависимость «напряжения сдвига – перемещение» для различных типов арматуры
Рисунок 22 ‒ Типы разрушения железобетонной конструкции, усиленной
КМФУ
Экспериментальные исследования, проведенные Jansze W. [30], показывают, что в случае расположения концов ленты КМФУ на некотором расстоянии от опоры
L (наиболее типичный случай) в этом месте может образоваться вертикальная трещина, которая в дальнейшем может развиваться наклонно, как от действия

81 поперечной силы (рисунок 23, левая трещина). Однако в случае достаточного внутреннего поперечного армирования развитие этой трещины в вертикальном направлении останавливается, и она начинает развиваться горизонтально параллельно внутренней продольной арматуре. В результате приклеенная полоса композитного материала вместе с бетоном отделяется от основной конструкции на уровне продольной арматуры в виде скалывания (рисунке 23, правая трещина).
Такой характер разрушения называется отрывом бетона. Оба этих механизма разрушения могут быть реализованы только в том случае, когда максимальная поперечная сила, действующая на расстоянии L от опоры, превысит допустимое значение.
Рисунок 23 ‒ Характер разрушения на конце полосы КМФ

перейти в каталог файлов