(495) 330 96 86

                           (495) 886 96 72

                           (916) 726 72 86  

 

 

 







Способы усиления балочный конструкций композитными материалами

Рис. 1. Схема нагружения тавровой балки    Анализируется поведение деформированных балочных конструкций существующими методами и высказывается концепция проведения ремонтных работ. Предлагаются способы усиления конструкций композитными материалами отечественного и зарубежного производства.
  В строительной практике давно пытаются осуществить принцип облегчения и одновременного усиления несущей способности конструкций путём замены стали в железобетонных конструкциях неметаллической арматурой. Для решения этой проблемы в истории известны случаи применения деревянных реек, бамбука, камыша. Однако эти материалы недолговечны и обладают низкой прочностью.
  Раннее считалось, что наиболее перспективными материалами для использования в качестве рабочей арматуры, являлись стеклянное или каменное волокно, обладающие высокой прочностью.
  Идея применения стеклопластиковой арматуры впервые была высказана в 1941 г. архитектором А.К. Буровым. Позже разработки в этом направлении велись в Польше, Чехословакии, ГДР, Англии, Франции, США и других странах.
  Предполагалось, что замена стальной арматуры стеклопластиковой может повысить долговечность конструкций, эксплуатируемых при воздействии агрессивных сред, при наличии блуждающих токов, а также расширить область применения бетонных антимагнитных и диэлектрических армированных конструкций в разных сферах человеческой деятельности.
  Главным препятствием замены стальной арматуры стекловолокном, как ранее считалось, являлось её «старение», характеризующееся уменьшением прочности.
  В настоящее время рядом стран, в т.ч. Россией, разработаны технологии производства стеклопластиковой арматуры, обладающей физико-механическими свойствами, приближающимися к свойствам металлов и значительно превосходящими их коррозионной стойкостью.
  Результаты испытаний изгибаемых элементов подтвердили надёжную совместную работу напрягаемой композитной арматуры с бетоном.
  В последнее время исследуются возможности применения в предварительно напряженных гибких элементах эффектов деформации ползучести и релаксации напряжений стальной и стеклопластиковой арматуры.
  Относительно высокий модуль упругости стеклопластиковой арматуры предопределяет целесообразность использования её как для предварительно напряженных конструкций, так и для всевозможного рода ремонтных работ, а также для усиления железобетонных конструкций, потерявших или теряющих в процессе эксплуатации несущую способность.
  Существует мнение, что в конструкциях с ненапрягаемой арматурой, в частности, армированной стеклопластиком, может иметь место чрезмерно большое раскрытие трещин.
  Существенным преимуществом стеклопластиковой арматуры является её коррозионная стойкость, практически по отношению ко всем типам агрессивных воздействий, и, в частности, к агрессивному влиянию блуждающих токов. В связи с этим стеклопластиковые конструкции целесообразно применять в цехах химической, коксо-химической, текстильной промышленности, а также в конструкциях и их элементах, расположенных под землёй и во всевозможного рода других агрессивных средах.
  Необходимо отметить, что в настоящее время отечественными специалистами разрабатываются технологии по исключению возможных щелочных реакций, действующих на стеклопластик разрушающе.
  Настоящая работа, по мнению авторов, значительно расширяет рамки применения композитных материалов в качестве альтернативы металлам. Рис. 2. Диаграммы напряженно-деформированного состояния тавровой балки
  Установлено, что строительные конструкции, в частности балки, нагружаемые последовательно возрастающей нагрузкой вплоть до их разрушения, подвержены трём последовательным характерным стадиям напряженно-деформированного состояния. Так, при малых нагрузках, присущих стадии I, напряжения в бетоне и арматуре имеют небольшие значения, сами деформации носят преимущественно упругий характер, а зависимости между напряжением и деформацией линейны. С увеличением нагрузки напряжения в бетоне растянутой зоны быстро приближаются к пределу прочности при растяжении sб.р.=Rр. При дальнейшем увеличении нагрузки бетон растянутой зоны разрушается и исключается из работы в местах образования трещин. Наступает новое качественное состояние – стадия II. В растянутой зоне и в местах, где образовались трещины, внутренние растягивающие усилия воспринимаются арматурой. На участках между трещинами сцепление бетона и арматуры не нарушается и бетон продолжает работать на растяжение. С увеличением нагрузки в сечении при мягкой арматуре стадия II может перейти в стадию IIа – в растянутой арматуре напряжения достигают Ra = st, тогда как в сжатой зоне напряжения в бетоне остаются ниже его предела прочности Rр. Разрушение сечения наступает, когда напряжения в растянутой арматуре достигают предела прочности Ra, и вследствие значительного прогиба элемента разрушается сжатая зона – стадия III.
  За последнее время сформировалось и активно развивается новое направление в механике деформирования твердых тел, получившее название механика разрушения.
  Под этим термином понимается изучение условий равновесия и распространения макротрещин внутри нагруженных элементов конструкций, вплоть до их полного разрушения.
  Целый ряд катастроф произошел при сравнительно невысоких уровнях напряжений. Внешне они носили характер хрупкого внезапного излома и их можно было объяснить только после тщательного изучения устойчивости трещин. Такие трещины, пустоты, раковины практически всегда есть в реальных объектах, в том числе вследствие технологического брака выпускаемого материала.
  Проблема трещиностойкости строительных конструкций значительно возрастает в связи с применением современных высокопрочных материалов и повышением уровня нагруженности строительных конструкций.
  Если толщина строительной конструкции t мала по сравнению с пролётом, или t®Ґ, то и в том и в другом случае задачу можно привести к задаче о плоском деформированном состоянии.
  Известно, что обе эти задачи при заданных напряжениях на поверхности тела дают одно и то же распределение напряжений sx, sy,sxy в плоскости xy. Различие состоит в том, что во втором случае возникают напряжения sx = m(sx + sy) и точки тела испытывают объёмное напряженное состояние. Несколько различными будут перемещения u(x, y) и v(x, y) точек этих тел.
  Как известно, решение плоской задачи в напряжениях может быть сведено к определению функции напряжений, которую обозначим F = F(x, y). Эта функция является решением бигармонического уравнения.
  При этом напряжения определяются следующим образом:
  sx= ¶2F/¶y2; sy= ¶2F/¶x2; txy= t = –¶2F/¶x¶y
  С2С2F = ¶4F/¶x4 + 2¶4F/¶x2¶y2 + ¶4F/¶y4 = 0
  Для определения деформаций перемещения выведена аналитическая зависимостькак функция четырёх параметров: Е – динамического модуля упругости материала, Jх – момента инерции сечения, L – величины пролёта конструкции и F – значений действующих нагрузок.
  Схема нагружения балки представлена на рис. 1. Найденные для указанного случая внутренние напряжения поперечных сил Q=f(s) и изгибающих моментов M=f(t), как функции соответствующих касательных напряжений (t) и нормальных напряжений (s), действующие в поперечном сечении элемента, представлены на рис. 2: диаграммы напряженно-деформированного состояния.
  Как следует из рис. 1, максимальный изгибающий момент действует на 3-м интервале, в середине пролёта указанной балки, согласно приведенной схеме нагружения, полностью соответствующей схемам, приведенным в ГОСТ 10180 – 90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
  Принимая во внимание, что нормами проектирования железобетона допускаются деформации балочных конструкций в виде прогибов в пределах (1/200 ё1/600)L, с помощью вышеприведенной аналитической зависимости можно точно определить граничные («допустимые») значения параметров данной конструкции, т.е. допустимые значения для пролёта (L), действующих нагрузок (F) и динамического модуля упругости (E) при заданном значении момента инерции сечения (Jx) (см. таблицу). Табл. 1. Расчётные значения несущей способности композитных материалов
  Усиление несущей способности железобетонных конструкций возможно методом «гамака», путём приклеивания углепластиковых лент к нижней, растянутой зоне конструкции.
  Концепция ремонта и усиления железобетонных конструкций углепластиками обусловлена воздействием внешних условий, таких как наличие агрессивной среды, динамических нагрузок, температурных деформаций.
  Проблемными вопросами являются: первоначальное низкое качество бетона; глубокие трещины и повреждения бетона; недостаточная толщина защитного слоя; все виды коррозии бетона; карбонизация бетона; коррозия арматурной стали и др.
  В результате анализа существующих проблем можно сформулировать требования по замене повреждённого бетона конструкции; защите стальной арматуры от коррозии; защиты бетона конструкции от коррозии и карбонизации; минимизации сроков твердения ремонтных бетонных и шпаклёвочных составов; минимизации времени проведения ремонтных работ; обеспечению высокой адгезии нового слоя бетона к старому.
  Решение всех перечисленных выше проблем и требований осуществляется путём удаления повреждённого бетона конструкции методом гидродинамической очистки; с помощью ремонта бетона конструкции методом «мокрого» или «сухого» торкретирования; усиления конструкции композитными материалами.
  Ремонт и усиление железобетонных конструкций углепластиками (композитными материалами) может осуществляться как ручным, так и механизированным способом. Выбор способа ремонта зависит от: вида и состояния конструкций; действующих нагрузок и эксплуатационной среды; предполагаемого срока эксплуатации конструкции; сроков проведения ремонтных работ; стоимости ремонтных работ.
  
  
  Библиографический список:
  1. Гусев Б.В. Материалы, технологии, конструкции. Их ремонтопригодность и повторное использование // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – №7, 2000, с.8–9.
  2. Гусев Б.В. Новые решения в создании конструкций, их ремонтопригодность и эффективные материалы/Материалы конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов. – М., 2003, с.7–10.

Б.В. ГУСЕВ, доктор техн. наук, проф., чл.-корр. РАН, лауреат Государственных премий СССР и РФ (МИИТ)
В.Г. КУЛИКОВ, канд. техн. наук, доцент (НИИЖБ)
По материалам журнала "Строительные материалы. Где их можно приобрести".



< Предыдущая   Следующая >
 


Из какого поисковика Вы пришли?

Google - 35.7%
Яндекс - 45.2%
Рамблер - 4.8%
Не помню - 14.3%

Голосов: 42
The voting for this poll has ended on: 02 Фев 2012 - 00:00
ИнфинСтоун I Строителям I Способы усиления балочный конструкций композитными материалами
Copyright © 2012. InfinStone.ru.