В статье рассмотрены такие вопросы, как усиление железобетонных конструкций, расчет усиление балок перекрытия углепластиком, а так же описано направление, связанное с использованием композитных материалов на основе углеродных волокон.
Ключевые слова: композитный материал, углепластика, железобетон, балка, усиление.
Введение
В последние время российские и зарубежные исследователи уделяют внимание проблеме обеспечения надежности различных строительных конструкций как на стадии их возведения, так и во время эксплуатации.
Железобетонные конструкции занимают лидирующее положение в мировом строительстве и с ростом объемов гражданского и промышленного строительства растут и объемы работ, связанные с восстановлением и усилением этих конструкций. Повышение эффективности ремонтно-восстановительных работ в настоящее время невозможно без совершенствования проектных решений по усилению конструкций, которые бы обеспечили их надежность, долговечность и экономичность.
Во многих странах для усиления железобетонных конструкций применяют композитные материалы на основе высокопрочных углеродных волокон.
Первые крупные проекты — усиление конструкций одной из эстакад третьего транспортного кольца в Москве и железнодорожного моста в г. Домодедово — относятся к 2001 году [10].
Основы проектирования усиления железобетонных конструкций композиционными материалами посвящены работы Хаютина Ю. Г., Чернявского В. Л., Клюев С. В., Курлапова Д. В. [1–5], и др., по проведению экспериментальные исследования как по усилению, так и по их восстановлению строительных конструкций посвящены работы Польского П. П. [4], Шевцова Д. А., Гвоздева А. А. [6] и др., а так же по методики расчета железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами Ватин Н. И., Болгов А. Н., Григорьев Я. В., Е. В. Кузнецов В. Д. [7–9] и другие.
Из зарубежных исследователей в направлении усиления железобетонных конструкции углепластиком работали Belarbia A., Acunb B. [11], David E. [12], Ehasni M. R. [13], Grace N. F. [14], Михуб Ахмад [15] и другие.
Выбор типа композиционного материала для усиления определяется условиями эксплуатации и назначением усиливаемой конструкции. Для усиления железобетонных конструкций применяются элементы в виде лент и холстов.
В имеющихся публикациях по усилению железобетонных конструкций композитным материалам используется, упрощенный подход к методу расчета усиления конструкций углеродным волокном. В результате проведенного анализа по расчету усиления, предложено Стандарт организации (CТО) “Усиление железобетонных конструкций композитными материалами”, разработанной компанией ООО “Зика” Россия.
Расчетные характеристики углепластика определяются на базе нормативных характеристик с учетом коэффициента надежности γf и коэффициента условия работы СЕ, учитывающего влияние окружающей среды [16].
При проектировании усиления железобетонных конструкций с использованием внешнего армирования из углепластика используется метод расчета по предельным состояниям. В предельном состоянии изгибаемого элемента усилия в сжатой зоне воспринимаются бетоном и сжатой стержневой арматурой, а в растянутой — стержневой арматурой и внешней композитной арматурой [17].
Для дальнейшего расчета будет использован предварительно армированная прямоугольная балка сечением b = 400 мм, h = 800 мм, а = 50 мм; а' = 70 мм; растянутая и сжатая арматура А400 (Rs=355 МПа); площадь сечения Аs = 452 мм2 (412); А’s= 236 мм2 (310); бетон класса В25 (Rb = 14,5МПа). Действующий изгибающий момент от эксплуатационной нагрузки М0 = 170 кНм.
Требуется проверить прочность сечения и при необходимости запроектировать усиление из углепластика со следующими характеристиками: нормативная прочность Rf= 3100 МПа, Еf = 170000 МПа, толщина слоя tf= 1,2 мм.
Рис. 1. Балка перекрытия
Рис. 2. Эпюра изгибающих моментов в балке
Основные формулы при расчете усиления углепластиком:
1. Для подбора сечения внешнего армирования определяется уровень деформаций в конструкции от действующих нагрузок
где, M0 — начальный максимальный изгибающий момент, х — высота сжатой зоны бетона, Еb — начальный модуль упругости бетона, Ired — момент инерции.
2. Расчетная прочность:
где, Rf — нормативная прочность углепластики на растяжение, СЕ — коэффициент условии работ углепластики, γf — коэффициент надежности по материалу.
3. Коэффициента условия работы Кm
4. Напряжение в углепластике
где Ԑbu1 — предельная относительная деформация бетона при непродолжительном действии нагрузки; Еf — расчетное значение модуля упругости углепластика; ω — характеристика сжатой зоны бетона; 
- Относительная высота сжатой зоны.
5. Предельный изгибаюший момент
Для железобетонной балки сечением 400х800 запроектировано усиление из углепластики компании Sika® со следующими характеристиками:
- ширина b = 300мм; толщина tf = 1.2мм; количество слоя n = 2.
Усиление изгибаемых балочных конструкций осуществляется наклейкой ФАП на нижнюю поверхность с направлением волокон вдоль оси усиливаемой конструкции и вертикальных, либо наклонных хомутов в приопорной зоне с направлением волокон перпендикулярно продольной оси.
Рис. 3. Схема усиления балок
Таким образам для балки перекрытия, из найденных параметров расчета была предложена система усиления углепластики, которая обеспечивает прочность сечения. Суть метода усиления: на растянутые участки вдоль направления основной арматуры производится монтаж углеродных холстов. А для восприятия поперечной нагрузки и для закрепления арматуры (анкеровки) устанавливаются поперечные бандажи.
Заключение
За последние годы ремонт и усиление железобетонных конструкций в современной России становиться более актуальными проблемами.
Наиболее эффективным способом усиления железобетонных конструкций — это применение композитных материалов на основе высокопрочных углеродных волокон.
В данной статье был предложен вариант усиления железобетонных балок перекрытия из углепластикf и в результате расчета показана техническая эффективность применения углепластики для усиления железобетонной балки, которые позволяют значительно увеличить прочность сечения, а так же снизить требуемое армирование.
Литература:
1. Хаютин Ю. Г., Чернявский В. Л., Аксельрод Е. З. Применение углепластиковдля усиления строительных конструкций // Бетон и железобетон. № 6. 2001. С.17–20.
2. Чернявский В. Д., Аксельрод Е. З. Применение углепластиков для усиления железобетонных конструкций промышленных зданий//Промышленное и гражданское строительство. 2004. № 3. С. 37–38.
3. Клюев С. В., Гурьянов Ю. В. Внешнее армирование изгибаемых фибробетонных изделий углеволокном. Инженерно-строительный журнал. 2013. № 1 (36). С. 21–26.
4. Польской П. П., Маилян Д. Р. Композитные материалы — как основа в строительстве и реконструкции зданий и сооружений //«Инженерный вестник Дона». 2012. № 4.
5. Курлапов Д. В. Усиление железобетонных конструкций с применением полимерных композитов // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 3. С. 22–24.
6. Шевцов Д. А.,Гвоздева А. А. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами // Промышленное гражданское строительство. 2014. № 8. С.61–64.
7. Ватин Н. Н., Дьячкова А. А. Усиление железобетонных конструкций с использованием композиционных материалов на основе углеродных волокон и постнапрягаемых стрендов // Бетон и железобетон, 2009. № 4(74). С.20–21.
8. Болгов А. Н., Иванов С. И. Особенности методики расчета колонн, усиленных композитными материалами // Бетон и железобетон, 2012. № 1. С.14–17.
9. Кузнецов В. Д. Расчет усиления железобетонных плит углеродными композитными материалами // Инженерно — строительный журнал. 2009. № 3.С.25–28.
10. Шилин А. А. Пшеничный В. А., Картузов Д. В. Усиление железобетонных конструкций / М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2004. 144c.
11. Belarbia A., Acunb B. FRP Systems in Shear Strengthening of Reinforced Concrete Structures // Procedia Engineering. 2013. № 57. P. 2–8.
12. David E., Djelal C. Repair and strengthening of reinforced concrete beams using composite 7th Int. conf. on Struct // Faults and Repair, Vol.2, 1997. P.169–173.
13. Ehasani M. R. Design recommendation for bond of GFRP rebar to concrete // Journal of Structural Engineering. 1996. № 3(102). P. 125- 130.
14. Grace N. F. Strengthening of concrete beams using innovative ductile fiber — fiber reinforced polymer fabric // ACI Structural Journal. № 5(99). 2002. P.692–700.
15. Михуб Ахмад, Польской П. П.,Котеленко Р. В. Блягоз A. M.«Расчет железо34. бетонных балок, усиленных композитными материалами, по методу аналоговой фермы»: Новые технологии, МГТУ, вып.2, Майкоп, 2012.с. 79–88.
16. СТО 13613997–001–2011. СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Зика Россия. 2011. 55 с.
17. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами / В. Л. Чернявский, Ю. Г. Хаютин. М.: ООО «Интераква», НИИЖБ, 2006. 48 с.
