Клеевые системы анкеровки внешнего армирования при усилении железобетонных конструкций

Фиброармированные полимеры (ФАП) в современном мире набирают большую популярность для реконструкции зданий и сооружений. Известно, что ФАП достигают своего предела прочности при предварительном натяжении. Соответственно, в местах анкеровки ФАП требуется система анкеровки, способная передать усилие от ФАП к усиливаемой конструкции и не разрушить ФАП-элемент. Данная статья — это обзор клеевых анкеров, предложенных учеными и научными центрами.

Ключевые слова: фиброармированный полимер (ФАП), анкер, системы анкеровки, усиление, реконструкция, композитные материалы, клеевые анкера, внешнее армирование.

Фиброармированные полимеры (ФАП) набирают популярность в усилении железобетонных конструкций, поскольку они имеют высокую прочность, легкий вес и устойчивы к коррозии.

Элементы на основе углеродных ФАП делят на две основные группы:

1. Тканевые ФАП;
2. ФАП-ламинаты.

В данной статье будут рассматриваться только системы анкеровки ФАП-ламинатов.

Предел прочности ФАП-ламинатов на растяжение варьируется от 1000 до 3500МПа в зависимости от толщины и ширины ФАП-ламината и гарантий производителя. Например, на российском рынке компании по производству ФАП-ламинатов предлагают ФАП-ламинат с пределом прочности на растяжение от 1100 до 3500 МПа. Изучено, что полную свою несущую способность ФАП-ламинаты используют при их предварительном натяжении.

Соответственно, для таких высоких напряжений требуются особые системы анкеровки. Для ФАП-ламинатов без предварительного напряжения одна из самых популярных систем анкеровки — клеевой анкерный жгут. [1] Соответственно, большинство существующих анкеров для ФАП с предварительным напряжением — это клеевые анкеры (на основе адгезивов).

Ученые Джумаат и Алам предложили анкер, состоящий из двух L-образных пластин толщиной по 2 мм. Эти две пластины приклеены к железобетонной балке на расстоянии 200 мм (рисунок 1). Но данный анкер не выдерживал полный предел прочности на растяжение ФАП-ламината [2].

Риттер и Кулаков предложили анкер, в котором ФАП-ламинат разделен на две части, а между ними помещен алюминиевый клин длиной 100мм, приклеенный к ФАП. Данный анкер требует нагревания для схватывания клея, клина и бетонного элемента. Он выдерживал только 95,7кН — это 76 % от несущей способности используемого ФАП [3].

Подобное разделение ФАП на две и более части так же использовалась в работах ученого Швеглера [4].

Анкер, запатентованный Юзуру, состоял из мягкой стали. Он был длиной от 150 до 400 мм, шириной от 50 до 200 мм и толщиной от 30 до 60 мм и имел отверстие в поперечном сечении. ФАП-ламинат укладывали в это отверстие и оставшееся пространство заполняли специальным адгезивом. Несущая способность анкера не сообщалась [5].

Рис. 2. Анкер Юзуру [5]

Анкер «stresshead», существующий в продаже, имеет эллиптическую форму. Его размеры 60мм Х 800 Х 100мм. ФАП-ламинат, как и в анкере Юзуру, располагается внутри данной эллиптической формы, а отверстие заполняется специальным клеем, которому требуется неделя для окончательного схватывания. Анкер выдерживает 1540МПа [6].

Так же существует в продаже «градиентный анкер». Он устанавливается поэтапно и имеет длину 800 мм.

Буртчер предложил клеевой фрикционный анкер. Он состоит из клиньев, к которым с помощью адгезивов присоединяется ФАП-ламинат. Анкер работает за счет клеевого соединения на границе «клин-ФАП», трения на границе «клин-клин» и трения на границе «клин-корпус». Данный анкер имеет длину 150 мм. Работа Буртчера показала, что в данном анкере контактные напряжения в ФАП-ламинате максимальные у свободного конца анкера, и они увеличиваются в сторону натяжения ФАП. Однако растягивающее напряжение максимальное со стороны натяжения и уменьшаются к свободному концу анкера [7].

Рис. 3. Анкер Буртчер [7]

Заключение

Клеевые анкера используются уже в продажах, но имеют ряд недостатков:

— Не способствуют достижению полного предела прочности на растяжение ФАП-ламината;

— Большие габариты (некоторые анкера достигают длины в 800 мм);

— Требуется время для схватывания адгезивов (в среднем неделя);

— Некоторые анкера требует специальных приборов для нагревания адгезивов.

Поскольку общего решения для анкеровки ФАП-ламинатов с предварительным напряжением не существует, то ученные обратились к изучению механических анкеров для ФАП-ламинатов, по аналогии с ФАП без предварительного напряжения.

Литература:

1. S. V. Grelle, L. H. Sneed (2013) Review of Anchorage Systems for Externally Bonded FRP Laminates. International Journal of Concrete Structures and Materials Vol.7, No.1, pp.17–33.
2. Jumaat MZ, Alam MDA. Experimental and numerical analysis of end anchored steel plate and CFRP laminate flexurally strengthened reinforced concrete (r. c.) beams. Int J Phys Sci 2010;5(2):132–44.
3. Rytter J, Portnov G, Kulakov V. Anchoring and a load transfer technique in uniaxial tension of unidirectional high-strength composites. Mech Compos Mater 2005;41(3):217–28.
4. Schwegler G. Reinforcement device for supporting structures. 2005.
5. Yuzuru H, Takayuki K, Nobuaki T, Kazuhiro K, Akira K, Masahiro T. FRP plate with anchor implement. Japanese Patent, Patent Number: 2006–097462. 2006.
6. SIKA. Prestressing systems for structural strengthening with sika carbodur. 2015.
7. S&P. Guide for the application of S&P FRP systems. 2006.