Усилване на стоманобетонна дъга с CFRP

Прочетена: 703

Проф. д-р инж.
Фантина Рангелова,
проф. д-р инж.
Марина Трайкова,
доц. д-р инж.
Емад Абдулахад,
инж. Йолина Ценкова,
УАСГ

Специфичната криволинейна форма на дъговите стоманобетонни елементи налага да бъдат разгледани специални подходи за повишаване на тяхната носеща способност. Изборът на усилваща система за такъв тип елементи е двустранната поради промяната на натисковата и опънната зона по дължина на елемента. За целта е изготвена стоманобетонна дъгова греда, която е натоварена до първи признак за разрушение, след което е усилена двустранно със система от външно залепени влакнесто армирани полимери (CFRP) само в опънните зони на сечението, след което е натоварена повторно до загуба на съвместно действие на елемента и усилващата система.

1. Въведение

В съвременната инженерна практика често се поражда необходимостта от намиране на различни решения за повишаване на носещата способност на различни конструктивни елементи поради възникнали дефекти или промяна на нормативните товари и изисквания към строителния елемент. Тази необходимост доведе и до решението за извършване на едно експериментално изследване на поведението на дъгов стоманобетонен елемент, неусилен и усилен с прилагането на система от композитни материали.

2. Подготовка на експерименталния модел

Изработеният експериментален модел е стоманобетонна дъга. Фиг. 1 и фиг. 2 показват геометричните характеристики, напречното сечение, както и вложената армировка за експерименталния образец. Използваните материали са бетон клас C25/30 и стомана B420. Якостта на натиск на бетона е определена в табл. 1. Определянето на якостта на бетона се извършва чрез изпитване на бетонни кубчета с размери 15/15/15 сm.

3. Изпитвателна схема и измерителни уреди

Опитните образци са криволинейна дъгова греда, подпряна на две неподвижни опори. Опорните устройства са реализирани посредством метални планки и метални цилиндри. Гредите се натоварват с концентрирана сила в средата на отвора на гредата. Натоварването върху неусилените и усилени греди се реализира посредством хидравлична преса. Контролирането на силата се осъществява чрез предварително тарирана месдоза, прикачена за пресата. Следенето на общите деформации се осъществява посредством 7 бр. механични часовникови индикатори с точност 0,01 mm (фиг. 3). Относителните деформации в бетона се следят посредством индуктивни датчици с точност 0,001 mm при база 100 mm в средното сечение на гредата и в сечението с максимален огъващ момент, опъващ горни нишки, с база 200 mm (фиг. 3). Относителните деформации в долната опънна армировка се следят посредством електросъпротивителни деформоприемници в средата на отвора и на 20 cm от средата на отвора, а относителните деформации в горната опънна армировка на 90 сm, както и на 75 сm от края на гредата, показани на фиг. 4. Разположени са и електросъпротивителни датчици на второ и девето стреме. Използвана е регистрираща апаратура Уинстонов тензометричен мост и QuantumX.

4. Резултати от опитното изпитване на експерименталния модел

А) Неусилен елемент
Поява на първа пукнатина в зоната под концентрираната сила се проявява при товар от около 15 kN.
Греда 1 е натоварена до достигане на товар от 114 kN концентрирана сила, приложена в средата, като максималното провисване в средата е 7,24 mm и е в границите на допустимото провисване. Отварянето на пукнатина в средна зона под концентрираната сила, по-голяма от 0,3 mm, е признак за начало на разрушение, което е причина за спиране на натоварването на този етап.

Б) Усилен елемент

След първоначалното натоварване до поява на първи признак на разрушение – отваряне на пукнатина с недопустима широчина – е приложена показаната на фиг. 4 схема на усилване. Усилването се осъществява чрез прилагането на външно приложена влакнесто армирана тъкан. Използвани са карбонови влакна под формата на еднопосочно армирана тъкан и двукомпонентна епоксидна смола.

Усилващата система е комбинация от CFRP ивици, разположени в съответствие с моментовата диаграма на елемента и стремена с ширина 5 сm на разстояние 20 сm. В областите, в които завършват CFRP ивиците, има сгъстяване на стремената (през 14 сm), с което се цели по-доброто закотвяне на ивиците. Под реализирания концентриран товар е разположено по-дебело стреме (10 cm) с цел да се подобри работата на усилващата система.

В) Съпоставка на получените резултати от усилен и неусилен елемент

Фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8 правят сравнение на данните, получени от изпитването на усилен и неусилен елемент
За Образец 1 при сила от 176,3 kN част от усилващия плат се разлепва поради нормални пукнатини в зоната около концентрираната сила. Разлепването на усилващата система е една от най-честите форми на разрушение за тези елементи. Максималното преместване в средата на отвора при сила от 176,3 kN e 7,23 mm, което е по-малко от допустимото.

Изводи от направеното експериментално изследване

 Подбраната усилваща система успява да увеличи първоначалната носеща способност на елемента.
 Усилващата система намалява общите деформации в елемента с около 40%.
 Стремената от СFRP плат имат принос в увеличаването на носещата способност на срязване, а също и подпомагат работата на усилващата система, като й осигуряват закотвяне.
 Стремената от СFRP плат ограничават напречните деформации в бетона, т.е. имат принос в поемането на натисковото усилие в елемента.
 Наблюдава се развитието на нормална пукнатина в зона около едното стреме (съседно на централното), като следствие от това се получава частично разлепване в тази зона, което според класификацията на начините разрушение на усилени с FRP елементи попада в групата на разрушения, при които няма пълна съвместна работа между бетон и FRP и възникват разлепяне и преждевременна форма на разрушение [6].
 При първоначалните степени на натоварване горният ръб на сечението на 75 сm от опората е натиснато поради поддаване на опора и преобладаващото натисково усилие.
 Изследванията на подобни проблеми имат важно практическо и теоретично приложение в подобряването на изчислителните и теоретични процедури за усилващите системи от композитни материали.
 Поради спецификата на елемента и неговата криволинейна форма избраната усилваща система е най-лесно приложима и ефективна, тъй като конвенционалните методи се нуждаят от специално приспособяване към кривината.

Благодарности

Настоящата научно-изследователска разработка по договор БН-80/2015 е подкрепена финансово от Център за научни изследвания и проектиране при УАСГ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Zhang, Хu, Wang, P. et al. CFRP strengthening reinforced concrete arches: Strengthening methods and experimental studies.
2. Абдулахад, Е., Христов, П., Паничков, Д. Напрегнато и деформирано състояние на дефектирала стоманобетонна греда с плочогредово сечение, усилена с карбонови нишки, 2009.
3. Абдулахад, Е., Спасов, Св. Усилване на огъване с FRP на стоманобетонна греда, изпълнена от нисък клас бетон.
4. Димов, Д. Обследване и изпитване на строителни конструкции и мостове, 2010.
5. Паничков, Д. Обследване и изпитване на строителните конструкции и съоръжения, 2001.
6. Русев, К. Стоманобетон НПБСК-ЕС2, 2010.
7. Спасов, Св. Усилване на стоманобетонна плочогредова греда с използване на надлъжни и напречни ивици или анкери от FRP.
8. Трайкова, М., Чардакова, Т. Избрани теми по избираема дисциплина „Диагностика, възстановяване и усилване на сгради“.
9. Христов, П., Абдулахад, Е., Паничков, Д. Експериментално изследване на стоманобетонни греди, подложени на дълготрайното въздействие на агресивни среди, характерна за селскостопански сгради, усилени с въглеродни нишки.

Сподели в социалните мрежи

Автор на 27.04.2017. Категория Анализи, Новини. Можеш да следиш всички коментари и промени по тази публикации през RSS 2.0. Можете свободно да коментирате тази публикация

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван.