Стоманобетонни греди

Проф. д-р инж. Димитър Димов, инж. Константин Велинов, инж. Васил Коларов, УАСГ В настоящата статия са изложени резултатите от изследване, свързано с изучаване на поведението в експлоатационно и крайно гранично състояние на стоманобетонни елементи със смесено армиране и различна степен на предварително напрягане под действието на статични натоварвания на огъване след тяхното трайно пукнатинообразуване и последващо външно усилване със системи от въглеродни елементи. На базата на теоретично изследване на поведението на изпитателните образци е направено заключение за очакваните форми за достигане на гранично състояние. В съответствие с желаната за целите на експеримента форма за достигане на гранично състояние са направени подготовка и външно усилване на стоманобетонните греди с FRP материали. Разработена е методика и са проведени експериментални изследвания на поведението на образци от обикновен и частично предварително напрегнат стоманобетон при прилагане на определената схема на външно усилване с FRP материали. За част от изходните параметри на изследванията са използвани данни и заключения, получени при предходния етап на научно-практическата разработка. Извършен е анализ на резултатите от проведените експериментални изследвания и сравнения и са направени заключения за адекватността на използваната техника за усилване. Избор на система за усилване Направен е критичен анализ на възможните форми на разрушение както при пълно съвместно действие на усилвания и усилващите елементи, така и при загуба на съвместно действие. За целите на настоящата разработка най-желана е формата на разрушение, която се достига при провлачване на вложената стоманена армировка и смачкване на бетона в натисковата зона при неразрушен FRP усилващ елемент. Форми на разрушение, при които се достига до преждевременна загуба на съвместното действие между бетона и външно залепения FRP, са нежелателни. При последните е налице отлепване, което е крехка форма на разрушение, ако не е възможно преразпределение на напрежението от външно залепената армировка към тази, вложена в елемента. Предвид гореизложеното и наличните лабораторни възможности като оптимална е избрана система за усилване (фиг. 1) със следните общи параметри: • Използване на FRP ламели от въглеродни нишки, които ще бъдат залепени по долния (опънен) ръб на усилваните стоманобетонни греди. Те ще изпълняват ролята на основен носещ елемент в усилващата система. • Полагане на CFRP ламелите непрекъснато по дължина на образците, като зоната на усилване достига максимално близко до опорните области. По този начин се достига до значително намаляване на концентрацията на напрежения в края на лентата и се минимизира възможността за проявление на съответните форми. • Напречно облепване на експерименталните образци в зоните на краищата на CFRP ламелите с ивици от еднопосочно ориентирани въглеродни нишки. Целта е осигуряване на надеждно закотвяне на външно залепените надлъжни CFRP ивици. • Използване на тъкани от еднопосочно ориентирани въглеродни нишки, с които се извършва напречно облепване на гредите в зоната с максимални огъващи моменти. Целта е избягване на възможността вертикални пукнатини от огъване да се разпространят хоризонтално, като доведат до отлепване на FRP в зони, далече от закотвянето, както и подобряване на деформационните характеристики на бетона в натисковата зона чрез ограничаването му. • Напречно облепване на гредите в зоните с максимални срязващи сили с тъкани от еднопосочно ориентирани въглеродни нишки. По този начин се подсигурява форма на разрушение на гредата от огъване, като се избягва нежеланото преждевременно цялостно разрушение от срязване. • Осигуряване на равна бетонна повърхност, за да се избегнат евентуални отлепвания на FRP, причинени от неравности. Характеристиките на избраните композитни материали са представени в табл. 1. Аналитично изследване на граничните състояния За формулиране на процедурите за определяне на якостта и коравината на разглежданите елементи са използвани уравнения за анализ на частично предварително напрегнати греди, методики, залегнали в различни нормативни документи и основните принципи за якост на материалите. Поради липса на място в настоящата статия не са представени детайли за уравненията и аналитичните процедури. При изчисляване на капацитета на усилените сечения са приети някои опростяващи предпоставки и общи принципи, залегнали в основата на теоретичните модели и методики за проектиране на стоманобетонни носещи конструкции, усилени с външно апликирани FRP: • Оразмеряването се базира на метода на граничните състояния, като конструкцията се осигурява за крайни (ULS) и експлоатационни (SLS) състояния. • В сила е хипотезата на Бернули за равнинност на сеченията. • Няма приплъзване между външната усилваща FRP армировка и бетона. • Пренебрегват се деформациите от тангенциални напрежения в тънкия адхезионен слой. • Пренебрегва се опънната якост на бетона. • Работната диаграма на бетона е регламентирана криволинейна в натисковата зона на сечението. • Работната диаграма на стоманената армировката е билинейна. • Приема се идеално линейна работна диаграма на композитния материал. Методика Обект на изследването са 4 бр. стоманобетонни греди с еднакви размери – правоъгълно напречно сечение 15/28 cm и дължина 400 cm (фиг. 1). Те са частично предварително напрегнати със смесено армиране от обикновена и напрягаща армировка. За всяка една от тях степента на напрягане е различна, съответно Г2 – 40%, Г3 – 60%, Г4 – 80%, Г5 – 100%. Произведени са преди 28 години от обикновен бетон с плътна структура с проектна якост марка Б 40. Използвани са: трошен камък с фракция 5/20 mm; среднозърнест кварцов пясък; обикновен портландцимент марка 35. В качеството на обикновена армировка е използвана стомана с периодичен профил АIII и гладка АI. Напрягащата армировка е от единични овални струни с периодичен профил с означение Ар35. Всички греди са били натоварвани в продължение на 5 години до експлоатационна стойност на огъващите моменти в средната зона, при което в някои от тях са се образували и пукнатини. Съхранявани са в затворено помещение и никога не са били излагани на преки климатични въздействия. Изпитването на елементите е извършено на специално устроен изпитателен стенд, съоръжен с необходимите за целта принадлежности. Натоварването е осъществено с маслен крик с ръчно командване с обхват до 1000 kN. Стойностите на прилаганата сила, на относителните и общите деформации са измервани и регистрирани автоматично с помощта на датчици с необходимата точност. Натоварването е реализирано с две концентрирани сили на разстояние 120 cm, разположени симетрично спрямо средното сечение. Изпитателната статическа схема за всички опитни образци от обикновен стоманобетон и усилени с външно апликирани CFRP се избира съвпадаща с изчислителната статическа схема – просто подпряна греда със съответния статически отвор. Основното натоварване се осъществява статично, на етапи и степени, различни за отделните образци, съответстващи на тяхната носеща способност преди и след усилването. След всяка степен натоварването се задържа 20 минути, а при достигане на експлоатационното и изчислителното натоварване – 40 минути, но не по-малко от времето за затихване на деформациите и провисването. Степените при разтоварване са до два пъти по-големи от тези при натоварване. При нива на натоварване над експлоатационното и до разрушение степените на натоварване се приемат два пъти по-малки от тези при нива на натоварване, по-ниски от експлоатационното натоварване. Бяха предвидени и етапи на статично натоварване до ниво на натоварване, по-ниско с една степен от нивото на експлоатационното натоварване (около 60% от изчисления разрушаващ товар) плюс вибрационно натоварване с амплитуда от една степен на натоварване, честота около 4,5 Hz и продължителност 25 000 цикъла, което да спомогне за имитирането на стоманобетонни греди, работили продължително, със завършил процес на пукнатинообразуване и натрупани остатъчни деформации при стоманобетонните образци, без усилване и продължителна експлоатация за тези след усилването с CFRP. Между отделните етапи на натоварване образците престояват в разтоварено състояние не по-малко от времето, през което са били под експлоатационно натоварване или до затихване на деформациите и провисването. Във връзка с постигане на целите на изследването са поставени и решени следните въпроси: 1. Изследване развитието на опънните деформации в бетона и в надлъжните усилващи елементи на частично предварително напрегнатите греди при натоварване на огъване до разрушаване. За целта са поставени електросъпротивителни датчици по повърхността на усилващите елементи в опънната зона на образците. 2. Изследване на изменението на натисковите деформации в бетона на частично предварително напрегнатите греди преди усилване при натоварване на огъване до 60% от изчислителния разрушаващ товар. 3. Изследване на изменението на натисковите деформации в бетона на частично предварително напрегнатите греди при натоварване на огъване до разрушаване. За целта са поставени електросъпротивителни датчици по горната повърхност (натисковата зона) на образците. 4. Изследване на развитието на напречните деформации в бетона в натисковата зона на частично предварително напрегнатите греди преди усилване при натоварване на огъване до 60% от изчислителния разрушаващ товар. 5. Изследване на развитието на напречните деформации в бетона и в напречните усилващи елементи в натисковата зона на частично предварително напрегнатите греди при натоварване на огъване до разрушаване. За целта са поставени електросъпротивителни датчици, напречно на оста на образците по горната бетонна повърхност и по повърхността на усилващите елементи в натисковата зона. 6. Изследване на развитието на вертикалните премествания на частично предварително напрегнатите греди преди усилване при натоварване на огъване до 60% от изчислителния разрушаващ товар. 7. Изследване на развитието на вертикалните премествания на частично предварително напрегнатите греди при натоварване на огъване до разрушаване. С цел описване на плавна деформационна крива са монтирани индуктивни датчици в опорните сечения, в средата и в четвъртините на отвора. 8. Изследване на разтварянето на пукнатини в опънната зона на частично предварително напрегнатите греди преди усилване при натоварване на огъване до 60% от изчислителния разрушаващ товар. 9. Изследване на разтварянето на пукнатини в опънната зона на частично предварително напрегнатите греди при натоварване на огъване до разрушаване. За целта напречно на пукнатините са поставени индуктивни датчици в оста на най-долния ред на опънната армировка на гредите. Анализ и изводи Анализът и оценката на получените резултати включват система от сравнения, съпоставки с теоретични и нормативни зависимости, както и качествен и количествен анализ на получените експериментални зависимости. При качествения анализ на получените зависимости за всички изследвани величини са проследени признаците, характеризиращи основните стадии на напрегнатото и деформираното състояние, линейност или нелинейност в поведението, съответствия между зависимостите в различните точки и сечения на експерименталните образци и при различните етапи и степени на натоварване. 1. Деформираните линии на изследваните усилени с CFRP опитни образци w(x) съответстват на статическата изпитателна схема и приложеното изпитателно натоварване, както и на зависимостите w(F). При нарастване на натоварването не се различават по вид, но при разтоварване и след прилагането на вибрационно натоварване се забелязват съществени разлики при различните етапи на натоварване. 2. Във всички графики се забелязва, че до определено ниво на товара – около 125 kN, изменението на всички измервани величини запазва линеен характер благодарение на съвместната работа на стоманената армировка и тази, използвана при усилването. Следва закривяване на графиките, което ясно изразява процеси на еластопластична работа. Това е моментът на масово пластифициране на стоманената армировка. След тази стойност на натоварването изменението на деформациите във външно залепената FRP армировка запазва линеен характер, но рязко се увеличава скоростта на нарастването им. Този ефект е резултат от самостоятелната еластична работа на FRP усилващия елемент до момента на разрушение. 3. Наблюдаваните надлъжни деформации в натисковата зона имат аналогичен характер, като достигат значително по-високи стойности от обичайните при разрушение до 3,9‰. 4. По характер напречните деформации следват неотклонно надлъжните, като достигат стойност 0,217 на диференциалния коефициент на деформации в гранично състояние. 5. Получените зависимости за провисването w(F) показват характера на изменението му при натоварване и разтоварване и кореспондират с деформираните линии при съответните етапи и степени на натоварване. Наблюдава се известна нелинейност, най-добре изразена при характерни нива на натоварване – при появата на първите пукнатини, при преминаването в зоната над експлоатационно натоварване и достигането на границата на провлачване на армировката, както и при приближаване към момента на разрушение. 6. Общите за всички етапи зависимости дават поглед върху историята на натоварването на опитните образци, а при всички изследвани усилени с CFRP опитни образци ясно се вижда развитието на по-големи остатъчни деформации след въздействието с вибрационно натоварване, както и известно намаляване на коравината по отношение на предишния етап на натоварване. 7. Зависимостите на средните деформации на бетона εс = m(F), измерени на различните нива по височина на стоманобетонното сечение на опитните образци, във функция от натоварването при различните етапи на натоварване отново показват характерната за стоманобетонните конструкции нелинейност и стабилизирането на поведението при повторно и особено след вибрационно натоварване и добре се съгласуват със зависимостите за провисването. 8. При натоварване над определена стойност настъпва увеличаване на деформируемостта поради масово провлачване на стоманената армировка. Тази промяна в поведението на елементите се потвърждава и от графиките за изменение на пукнатините. Проведените наблюдения върху развитието на пукнатините не показаха поява на нови, а отварянето на старите, образувани преди усилването, бе в по-ограничена степен, дори много над нивото на експлоатационните натоварвания за усилените опитни образци. Заключение С проведените изследвания се доказа, че усилването на стоманобетонни частично предварително напрегнати греди с помощта на външно апликирани въглеродни нишки е ефективен съвременен начин за повишаване на носещата способност и експлоатационните параметри на подобни стоманобетонни елементи. Реализираният начин на усилване с външно залепена долна CFRP армировка със закотвяне на краищата подобрява поведението на гредите. Този положителен ефект има изражение както в експлоатационно гранично състояние, така и в поведението в крайно гранично състояние. Усилените елементи при всички случаи имат достатъчна дуктилност, изразена с отношението на кривините (провисванията) при разрушение и при достигане на границата на провлачване, което отношение остава винаги чувствително по-голямо от препоръчваната в (12) гранична стойност. ЛИТЕРАТУРА 1. Димов, Д. Безразрушителни изпитвания на строителни конструкции. Дайрект Сървисиз ООД, С., 2011. 2. БДС EN 13791: 2007. Оценяване на якостта на натиск на бетона в конструкции и готови бетонни елементи. 3. БДС EN 13791: 2007/NA. Оценяване на якостта на натиск на бетона в конструкции и готови бетонни елементи. 4. БДС EN 206-1/NA: 2008. Бетон. Част 1: Спецификация, свойства, производство и съответствие. 5. БДС EN 12504-2: 2005. Изпитване на бетон в конструкции. Част 2: Изпитване без разрушаване. Определяне на големината на отскока. 6. Димов, Д., В. Коларов. Експериментално-теоретично определяне на състоянието на напукани стоманобетонни греди с частично предварително напрягане след продължително натоварване на огъване. – Международна юбилейна научно-приложна конференция „Наука и практика“, УАСГ – София, 15–17 ноември 2012, ISBN 978-954-724-049-0. 7. Uomoto, T., H. Mutsuyoshi, F. Katsuki, and S. Misra. Use of fiber reinforced polymer composites as reinforcing material for concrete. ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, 14(3):191_209, June 2002. 8. M. Di Ludovico, A. Nanni, A. Prota, and Е. Cosenza. Repair of bridge girders with composites: experimental and analytical validation. ACI Structural Journal, 102(5):639_648, September_October 2005. 9. Donchev, T. and D. Siafas. Experimental study of the behaviour of various non-bolted anchorages for CFRP laminates. FRPRCS-9, Sydney, Australia, 13-15 July 2009. ISBN 987-0-980-6755-0-4. 10. Sayed-Ahmed, E. Y., Riad, A. H., Shrive, N. G. (2004). Flexural strengthening of precast reinforced concrete bridge girders using bonded CFRP strips or external post tensioning. –Canadian Journal of Civil Engineering. 31(3): 400-512. 11. Lu, X. Z., Teng, J. G., Ye, L. P. and Jiang, J. J. (2005). Bond slip models of FRP Sheets/Plates bonded to concrete. Engineering Structures, 27(6): 920-937. 12. FIB CEB-fip 2001, Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures.