Совершенствование методов проектирования и расчета железобетонных конструкций, усиленных разномодульными композитными материалами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Умаров Артур Гасанович

• Умаров Артур Гасанович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Умаров Артур Гасанович

Введение

Глава 1. Состояние вопроса. Задачи исследования

1.1 Развитие методов усиления строительных конструкций

1.2 Отечественные и зарубежные экспериментальные исследования железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами, при различных видах напряженно-деформированного состояния

1.2.1 Исследования изгибаемых элементов на действие момента

1.2.2 Исследования изгибаемых элементов на действие поперечной силы

1.2.3 Исследования сжатых элементов при различных эксцентриситетах приложения нагрузки

1.3 Особенности экспериментальных исследований последних лет

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Постановка экспериментов для исследования работы железобетонных конструкций с усилением разномодульными материалами в сжатой и растянутой

зонах при изгибе и сжатии

2.1 Основное содержание программы исследования изгибаемых элементов и

характеристика опытных образцов

2.2. Элементы, работающие на сжатие с различными эксцентриситетами внешней силы

2.3 Материалы для эксперимента

2.3.1 Использованные материалы в опытах железобетонных балок

2.3.2 Материалы использованные для сжатых элементов

2.4 Механические характеристики материалов, используемые при изготовлении и усилении опытных образцов

2.4.1 Прочностные характеристики бетона

2.4.2 Прочность однослойных и многослойных композитных тканей

2.5 Порядок выполнения работ при усилении опытных железобетонных конструкций

2.6 Методика испытания изгибаемых и сжатых железобетонных элементов

2.7 Выводы по главе

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований прочности деформативности и трещиностойкости изгибаемых и сжатых железобетонных элементов, усиленных в поперечном и продольном направлениях разномодульными композитными материалами

3.1 Характер трещинообразования и разрушения изгибаемых опытных образцов, при изменении вида композитного материала, модуля упругости и площади сечения элементов усиления

3.2 Прочность нормальных сечений опытных балок

3.3 Ширина раскрытия нормальных трещин опытных балок

3.4 Деформативность опытных балок

3.5 Результаты экспериментальных исследований сжатых элементов гибкостью Ш = 10 при случайных и больших эксцентриситетах

3.5.1 Характер поведения и разрушения стоек, усиленных разномодульной внешней композитной арматурой

3.5.2 Прочность усиленных железобетонных стоек

3.6 Выводы по главе

Глава 4 Анализ влияния внешней поперечной, в сочетании с одинарной и двойной продольной композитной арматурой на изменение напряженно-деформированного состояния изгибаемых и сжатых элементов

4.1 Методика проведения анализа

4.2 Сопоставление опытных и теоретических значений прочности изгибаемых элементов

4.3 Сопоставление опытных и теоретических значений прочности для сжатых элементов

4.4 Сопоставление опытных и теоретических значений ширины раскрытия нормальных трещин

4.5 Сопоставление опытных и теоретических значений прогибов

4.6 Выводы по главе

Глава 5. Предложения по совершенствованию расчета прочности, деформативности и трещиностойкости изгибаемых и сжатых железобетонных

элементов, усилении двойной разномодульной композитной арматурой

5.1. Совершенствование методики расчета изгибаемых элементов по прочности

5.1.1. Учет влияния различных факторов на прочность бетона балок, усиленных двойной разномодульной арматурой

5.1.2. Методика определения положения нейтральной оси при наличии среднемодульной композитной арматуры, расположенной в один или два ряда на сжатой поверхности бетона

5.1.3. Методика определения приведенного значения прочности сжатого материала (композитной арматуры и бетона), находящегося в сжатой зоне

5.1.4. Разработка методики расчета изгибаемых железобетонных элементов, усиленных двойной разномодульной композитной арматурой

5.2. Усовершенствование расчета сжатых железобетонных элементов, усиленных различными методами

5.2.1. Разработка методики расчета прочности сжатых элементов со случайным эксцентриситетом, усиленных в продольном и поперечном направлениях

5.2.2. Разработка новой методики расчета прочности сжатых элементов с большими эксцентриситетами, усиленных двойным армированием

5.3. Предложения по совершенствованию методики расчета изгибаемых конструкций по ширине раскрытия нормальных трещин

5.4. Предложения по совершенствованию методики расчета изгибаемых элементов по деформативности

5.5. Реализация предложений по совершенствованию нормативной базы России по усилению железобетонных конструкций композитными материалами

5.5.1. Сопоставление опытных и теоретических значений прочности железобетонных элементов, усиленных одиночным и двойным продольным армированием в сочетании с поперечными хомутами

5.5.2. Сопоставление опытных и теоретических значений ширины раскрытия нормальных трещин опытных образцов, усиленных одиночным и двойным продольным и поперечным армированием

5.5.3. Сопоставление опытных и теоретических значений прогибов опытных образцов, усиленных одиночным и двойным продольным и поперечным

армированием

5.6 Выводы по главе

Основные выводы

Список литературы

Введение

Актуальность вопросов усиления железобетонных конструкций зданий и сооружений значительно возрастает. Это связано с ростом количества реконструируемых и восстанавливаемых зданий в последние десятилетия, особенно остро стоит вопрос на новых западных территориях нашей страны, где существует большая необходимость в восстановлении пострадавших жилых и административных зданий. Усиление зданий и отдельных их конструкций с помощью бетона и металлических элементов не всегда представляется возможным. Это связано с тем, что при выполнении усиления, например, плит перекрытия многоэтажного жилого дома с помощью набетонки, суммарная дополнительная нагрузка на фундаменты получится настолько большой, что становится необходимым выполнение усиления и самих фундаментов здания, что является очень дорогостоящим мероприятием. Также существует проблема, когда при необходимости усиления зданий, мы не можем подвести какие-либо несущие конструкции усиления под перекрытия, в связи с жесткими ограничениями по высоте помещений. В таких и многих других случаях, приходит на помощь усиление конструкций с помощью композитных материалов. При усилении конструкций производственных зданий, при применении традиционных методов усиления (с помощью металла и бетона), данные работы являются очень трудоемкими, а также имеются мокрые процессы, в связи с этим необходимо остановить производство, чтобы выполнить данный вид усиления, что ведет к колоссальным денежным потерям для организации, а в некоторых производствах в принципе отсутствует возможность поставить процесс «на паузу». Применение усиления с помощью композитных материалов дает возможность выполнения работ в значительно более сжатые сроки, а самое главное - без остановки производства. В таком случае и стоимость работ и материалов, которая в несколько раз выше классического метода, нивелируется, а иногда даже становится и более экономически эффективной.

«В последние годы в России все больше внимания уделяется вопросам использования композитных материалов не только в промышленности, но и в

строительстве. Речь идет об увеличении объемов использования стекло- и углепластиков в процессе ремонта, восстановления и усиления различных видов строительных конструкций. Это связано с высокими технико-экономическими показателями этих материалов. К ним относятся, в первую очередь, высокая прочность на растяжение, а также отношение этой прочности к собственному весу. Для композитных материалов оба этих показателя в 7-10 раз выше, чем у стали класса А400. Исследования, проведенные в России и за рубежом только доказывают возможности и перспективы развития применения данных материалов» [57].

Помимо высокой прочности композитных материалов, к основным преимуществам можно отнести также значительно меньший вес, малую толщину (от 0,1мм до 5мм), возможность усиления конструкций любых форм, простота монтажа и транспортировки, а также коррозионная стойкость - отсутствует реакция на агрессивные среды, влагу. Также возможно выполнение предварительного напряжения ламелей, что уже неоднократно доказано реально выполненными объектами, за которыми ведется дальнейший постоянный мониторинг. Работы по усилению композитными материалами значительно менее трудоемки, чем другие способы усиления, выполняются без мокрых процессов, возможно выполнение работ в очень стесненных условиях, отсутствует необходимость в тяжелой технике. Все составляющие, из которых состоят композитные материалы показывают высокую долговечность, что значительно повышает срок службы и эксплуатационную пригодность зданий и сооружений.

Однако несмотря на все эти преимущества, до 2014 года отсутствовала нормативная база, включающая в себя единые стандарты проектирования и монтажа композитных систем усиления, что значительно тормозило распространения данного метода. Но с появлением СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами» [48], данный вопрос, к счастью, был решен, появились:

- методики расчета конструкций с композитным усилением;

- требования к материалам и технологиям монтажа;

- нормы проектирования различных типов усиления;

- правила контроля качества работ;

- условия эксплуатации усиленных конструкций.

Это способствовало увеличению доверия проектировщиков к композитным технологиям, а также экспертов госэкспертизы, т.к. ранее пройти экспертизу было практически невозможно; расширению сферы применения композитных материалов; повышению качества, а также снижению рисков при проектировании и строительстве.

Степень разработанности темы исследований

Развитие методов усиления железобетонных конструкций с помощью углепластика проводится с 2000-х годов и стало возможным, благодаря работам таких учёных как Ю.Г. Хаютин, В.А. Клевцова, А.Г. Юрьев, A.A. Шилин, С.А. Бокарев, Д.Н. Смердов, А.В. Грановский, Р.Б. Орлович, А.Л. Мочалов, А.Н. Костенко, Д.Р. Маилян, П.П. Польской, M.S. Alam, A. Hussein, Nino Spinella, H. Naderpour, O. Poursaeidi, M. Ahmadi, Kourosh Nasrollahzadeh, Reza Aghamohammadi, Said M. Alam, Tarek I. Ebeido, Weiwen Li, Christopher K.Y. Leung.

Появление СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами», позволило использовать единые стандарты проектирования и монтажа композитных систем усиления, что дало возможность массово применять композитные материалы при усилении разных объектов.

Однако небольшое количество исследований в данной области применения композитных материалов, а также новый Свод Правил, появившийся впервые и имеющий достаточно много «пробелов», говорит о достаточно большой предстоящей работе по дальнейшим исследованиям. Так, например, в СП отсутствует методы расчета изгибаемых и сжатых элементов, усиленных разномодульными элементами внешнего композитного армирования, расположенными одновременно в сжатой и растянутой зонах. Также дальнейшему распространению метода способствует развитие науки и технологий, а также полная локализация производства в России, которые позволяют достаточно быстро

снижать стоимость производства композитных материалов и всех необходимых расходных материалов.

Цель работы - заключается в проведении комплексных исследований железобетонных элементов, усиленных разномодульными композитными материалами соответственно в сжатой и растянутой зонах, при действии момента (изгибаемые элементы) и продольной силы с различными эксцентриситетами (сжатые элементы), направленных на повышение эффективности композитного усиления при наличии и отсутствии нормальных трещин и усиленных при начальном и эксплуатационном уровнях нагрузки.

Задачи исследования:

1. Получить новые данные о прочности и деформативности нормальных сечений изгибаемых элементов из бетона классом В40 и сжатых элементов гибкостью = 10 из бетона классом В25, при различных эксцентриситетах, усиленных средне- и высокомодульными композитными материалами на основе углепластика, расположенными соответственно в сжатой и растянутой зонах, в сочетании с поперечными хомутами по всему расчетному пролету.

2. Определить влияние поперечных хомутов, расположенных в зоне чистого изгиба, вида разномодульных композитных элементов усиления, расположенных в сжатой и растянутой зонах, и величины процента внешнего композитного армирования на изменение несущей способности изгибаемых и сжатых элементов.

3. Исследовать влияние действующего на конструкцию начального уровня нагрузки перед их усилением, равного 0,65Ки11 на изменение несущей способности усиленных конструкций.

4. Установить возможность резкого повышения уровня несущей способности балок с низким процентом стального продольного и поперечного армирования за счет использования внешнего поперечного и двойного композитного армирования.

5. Дать оценку влияния начальных нормальных трещин с раскрытием более 0,5 мм на несущую способность конструкций, усиленных разномодульными композитными материалами.

6. Дать оценку влияния поперечных хомутов, установленных в зоне чистого

изгиба, на изменение прочности бетона и расчетных сопротивлений сжатой растянутой композитной арматуры, нормальных сечений балок, усиленных разномодульными элементами внешнего армирования, а также сжатых элементов с поперечныит хомутами по всей длине стоек.

7. Разработать рекомендации по учету влияния поперечных хомутов разномодульного внешнего композитного армирования, расположенного сжатой и растянутой зонах исследуемых конструкций.

8. Разработать рекомендации по учету влияния внешнего поперечного армирования на увеличение расчетного сопротивления элементов внешнего композитного армирования, расположенных в сжатой и растянутой зонах.

9. Разработать методику подбора и расчета прочности изгибаемых и сжатых элементов, усиленных разномодульными элементами внешнего композитного армирования, расположенными одновременно в сжатой и растянутой зонах, в сочетании с поперечными хомутами, установленными по всей длине исследуемых конструкций.

Объект исследования - изгибаемые и сжатые железобетонные элементы, усиленные разномодульными элементами внешнего композитного армирования, расположенными в сжатой и растянутой зонах одновременно, либо односторонне расположенные в сжатой и растянутой зонах.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние и несущая способность, деформативность и трещиностойкость изгибаемых и сжатых железобетонных элементов, усиленных одновременно разномодульными композитными материалами со стороны сжатой и растянутой зон, либо односторонне усиленных со стороны сжатой и растянутой граней усиливаемых элементов, в сочетании с поперечным армированием.

Область исследования соответствует паспорту специальности ВАК 2.1.1 -Строительные конструкции, здания и сооружения, и относится к п.3 и п.5 направления исследований.

Научная новизна:

1. На основании новых экспериментальных данных определены прочность и

деформативность нормальных сечений изгибаемых и сжатых железобетонных элементов, загруженных по геометрической оси, либо с большим эксцентриситетом, предварительно усиленных, при начальном либо эксплуатационном уровнях нагрузки, разномодульными композитными материалами, расположенными в сжатой и растянутой зонах при одновременном наличии комбинированного (продольного и поперечного) армирования.

2. Получены новые данные о значительном влиянии двойного разномодульного продольного армирования в сочетании с поперечными хомутами на повышение уровня эффективности внешнего композитного армирования как для изгибаемых, так и для сжатых элементов.

3. Установлено заметное влияние поперечных хомутов, расположенных в зоне чистого изгиба, на повышение расчетного сопротивления бетона, а также продольных сжатых и растянутых композитных элементов усиления и увеличение прочности усиливаемых элементов в целом.

4. Установлено значительное влияние внешнего двойного композитного армирования на повышение жесткости усиленных элементов, которое снижает влияние начальных нормальных трещин с раскрытием более 0,5 мм на предельную несущую способность.

5. Доказано, что при внешнем двойном армировании резко снижается влияние уровня предварительного загружения усиливаемых конструкций на предельную эффективность композитного усиления.

6. Предложены рекомендации по учету влияния поперечных хомутов, установленных в зоне чистого изгиба, на повышение величины расчетного сопротивления и несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов, одновременно установленных в сжатой и растянутой зонах.

7. Даны рекомендации по определению приведенных значений расчетного сопротивления сжатой зоны бетона, усиленной среднемодульным композитным материалом, при высоте сжатой зоны бетона, превышающей толщину внешней композитной арматуры и проходящей по телу сжатого бетона.

8. Разработаны методики расчета изгибаемых и сжатых железобетонных

элементов, усиленных внешней двойной композитной арматурой, расположенной одновременно со стороны сжатой и растянутой зон, в сочетании с внешним поперечным композитным армированием, т.е. комбинированным армированием.

9. Предложены обязательные к применению конструктивные требования при выполнении работ по усилению изгибаемых и сжатых железобетонных элементов, имеющих комбинированное двойное продольное и поперечное армирование.

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в совершенствовании методов усиления железобетонных конструкций с использованием разномодульных композитных материалов, наклеиваемых одновременно в сжатой и растянутой зонах в совокупности с поперечными хомутами в зоне чистого изгиба, направленных на повышение уровня эффективности композитного усиления конструкций, нагрузка на которые превышает несущую способность сечения с одиночной арматурой, т.е. при превышении условия ^ >

Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по определению несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов и сжатых элементов, загруженных при осевом и «больших» эксцентриситетах, при их двойном армировании со стороны сжатой и растянутой зон разномодульными композитными материалами, в сочетании с поперечным армированием зоны чистого изгиба, при усилении изгибаемых элементов, и по всей длине - при усилении сжатых элементов. Как следствие - повышение несущей способности усиливаемых дефектных конструкций и их надежности. Последнее подтверждено на практике проектами усиления несущей способности зданий, а также актами внедрения ФГБОУ ВО «Донской государственный технической университет», ЗАО «КБ Ивлева» НПФ «Геотекспроектстрой», ООО «Контакт-Проект», ООО «Проектюгстрой-Дон».

Методология и методы исследования

Методологической основой диссертационной работы являются общенаучные методы познания, анализ и сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими результатами; метод идеализации при переходе от напряженно-

деформированного состояния загруженных изгибаемых и сжатых элементов к расчетной модели; использование оборудования и приборов, прошедших надлежащую поверку в системе эксперимент-измерение.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов и сжатых стоек с гибкостью Л^ = 10, имеющих симметричную рабочую арматуру класса А500 для сжатой и растянутой зон и конструктивно установленной поперечной арматурой в виде хомутов из стали класса В500 диаметром 3,0 мм, изготовленных из бетона классом В40 и В25 соответственно и усиленных разномодульными композитными материалами на основе углепластика со стороны сжатой и растянутой зон, в сочетании с внешним поперечным армированием как изгибаемых, так и сжатых элементов.

2. Новые данные о поведении под нагрузкой и характере разрушения изгибаемых и сжатых опытных образцов, усиленных внешним продольным и поперечным армированием при нулевом и эксплуатационном уровнях нагрузки; при наличии и отсутствии начальных нормальных трещин, а также изменении процента внешнего продольного армирования сжатой и растянутой зон разномодульными композитными материалами.

3. Экспериментальные данные о влиянии поперечных хомутов, установленных в зоне чистого изгиба как при наличии, так и при отсутствии внешнего продольного армирования сжатой и растянутой зон изгибаемых элементов.

4. Новые данные о влиянии внешнего продольного армирования сжатой зоны на изменение напряженно-деформированного состояния изгибаемых и внецентренно сжатых элементов с большим эксцентриситетом.

5. Экспериментальные данные о влиянии начальных нормальных трещин с раскрытием более 0,5 мм на изменение несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов, усиленных разномодульной внешней композитной арматурой со стороны сжатой и растянутой зон.

6. Новые экспериментальные данные о влиянии нулевого либо эксплуатационного уровней внешней нагрузки, действующей на конструкции в процессе усиления изгибаемых элементов двойной разномодульной композитной арматурой, расположенной в сжатой и растянутой зонах.

7. Данные о влиянии процента внешнего композитного армирования сжатой и растянутой зон для изгибаемых элементов.

8. Новая методика расчета для изгибаемых и сжатых железобетонных элементов, усиленных разномодульной внешней композитной арматурой со стороны сжатой и растянутой зон, т.е. двойной арматурой, которая на настоящий момент отсутствует в действующих нормах.

Достоверность полученных результатов базируется на тщательно изготовленных, усиленных и испытанных опытных образцах и обоснована применением базовых понятий сопротивления материалов, теории упругости, строительной механики, математической обработки результатов эксперимента и его анализа, а также использованием общепринятых гипотез и допущений современной теории железобетона; стандартных и специально разработанных для конкретных целей исследования методов испытаний, использованием лабораторного оборудования, прошедшего метрологическую проверку и использование современных измерительных приборов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов проектирования и расчета железобетонных конструкций, усиленных разномодульными композитными материалами»

Апробация работы.

Основные положения кандидатской диссертации были освещены на следующих конференциях:

- Международная научно-практическая конференция факультета промышленного и гражданского строительства "Строительство и архитектура -2022", г. Ростов-на-Дону, 19-21 апреля 2022 года. Организатор - Донской государственный технический университет.

- Международная научно-практическая конференция факультета промышленного и гражданского строительства "Строительство и архитектура -2023", г. Ростов-на-Дону, 19-21 апреля 2023 года. Организатор - Донской государственный технический университет.

- Всероссийская конференция: «Применение углепластиков для усиления несущих железобетонных конструкций». Организаторы: Компания PGSCOM совместно с Юматекс (Росатом). 02 марта 2023, г. Санкт-Петербург.

- Восьмая международная научно-практическая конференция «Вопросы теории и практики современных методов восстановления и усиления строительных конструкций композитными материалами». 12 мая 2022 г, г. Ростов-на-Дону.

- Девятая международная научно-практическая конференция «Современные методы усиления и восстановления строительных конструкций композитными материалами (теория и практика)». 19 мая 2023 г, г. Ростов-на-Дону.

- Десятая международная научно-практическая конференция «Теория и практика усиления и восстановления строительных конструкций композитными материалами». 08 октября 2024 г, г. Ростов-на-Дону.

Публикации.

Основные результаты выполненных исследований и положения диссертации опубликованы в 9 научных статьях, в том числе 6 из них в изданиях, курируемых ВАК, одна - Scopus и Web of Sience, квартиль Q1.

Диссертационная работа выполнялась в период с 2020 по 2025 г. на кафедре «Железобетонные и каменные конструкции» Донского государственного технического университета под руководством доктора технических наук, доцента П.П. Польского и доктора технических наук, профессора, лауреата премии правительства РФ - Д.Р. Маиляна.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 112 наименований и приложение с актами о внедрении результатов работы. Работа изложена на 190 страницах, содержит 58 рисунков, 26 таблиц и 4 страницы приложения.

Глава 1. Состояние вопроса. Задачи исследования 1.1 Развитие методов усиления строительных конструкций

Современная практика укрепления строительных объектов выделяет три ключевых подхода к модификации железобетонных систем:

1. Без изменения расчетной схемы конструкции;

2. С преобразованием расчетной схемы;

3. Через изменение напряженно-деформированного состояния. Доминирующим в инженерной практике остается первый подход,

реализуемый через наращивание сечения элементов. Исторические предпосылки его развития прослеживаются с начала XX века:

• Зарубежные исследования 1912 г. зафиксировали первые случаи применения технологии;

• Эксперименты 1920-х годов (США) выявили закономерности адгезии бетонных слоев различной прочности.

• В 1938 г. разработана методика одностороннего усиления наращиванием с дополнительным армированием.

Отечественный опыт берет начало с работ В.А. Струве (1919 г.), предложившего замкнутые бетонные обоймы с армированием. Значительный вклад в развитие методологии внесли:

• А.А. Гвоздев [2,3] - теория предельных состояний;

• В.В. Михайлов - расчеты нелинейных деформаций;

• Н.М. Онуфриев [26] - концепция преднапряженных затяжек; Классификация сжатых элементов по типу нагружения:

1. Условно центрально-сжатые (X < 20^ случайный эксцентриситет)

2. Внецентренно-сжатые (X > 20^:

о Малый эксцентриситет (ео < 0.3^ о Большой эксцентриситет (ео > 0.3^ Конструктивные решения обойм варьируются в зависимости от эксплуатационных условий:

• Стандартные армированные обоймы - для умеренных нагрузок;

• Спиральное армирование - при повышенных нагрузках воздействиях;

• Трехсторонние обоймы - используются в стесненных условиях монтажа.

Экспериментальные данные Тольяттинского госуниверситета [52]

демонстрируют 30-60% прирост несущей способности при использовании самоуплотняющихся бетонов с eo=(0.143-0.429)h.

Однако традиционные методы характеризуются повышенной трудоемкостью, что стимулировало поиск инновационных решений.

Современный этап (с 1970-х гг.) связан с внедрением композитных материалов:

• Стеклопластики - технологичность, коррозионная стойкость;

• Углеволокна - модуль упругости ~ 200 ГПа, на раст. ~ 3500 МПа.

Ключевые преимущества полимерных систем:

• Снижение массы усиливающих элементов на 40-60%;

• Возможность монтажа без остановки эксплуатации;

• Адаптивность к сложным геометрическим формам.

Особую актуальность метод приобрел в контексте монолитно-каркасного строительства с безбалочными перекрытиями, где классическое наращивание сечения приводит к значительному росту нагрузки на здание.

Развитие новых методов усиления базируется на использовании различных полимерных материалов. В основу данного метода усиления конструкций также положен метод внешнего армирования сечений, который предусматривает приклеивание дополнительных элементов в виде арматурных стержней, стальных полос в сжатой и растянутой зонах конструкций, выполнение пренапряжения.

Большой вклад в развитие метода внесли следующие труды:

• Отечественных ученых: И.С. Дурова [10], Н.И. Красулина [12],

А.Г. Литвинова [14] и других авторов.

• Зарубежные исследователи: T. Brin (UK) - изучавший долговременные

деформации, S. Kaifasz (PL) - циклические нагрузки.

На рубеже 1970-1980-х годов наблюдается эволюционный переход к третьему этапу модернизации методов усиления конструкций, концептуально

продолжающему предыдущие разработки. Этот период в специализированной литературе идентифицируется как "инновационный" в связи с внедрением композитных систем на базе стекло - и углеволоконных структур, интегрированных в полимерные матрицы. Ключевыми технологическими преимуществами новых материалов стали:

• Предел прочности при растяжении до 3,500 МПа;

• Плотность 1.5-1.8 г/см3 (в 4-5 раз ниже стальных аналогов);

• Химическая инертность в агрессивных средах (рН 2 -12);

• Для карбоновых композитов - модуль упругости 200-250 ГПа, сопоставимый с конструкционными сталями.

Стимулом к активному применению этих технологий в российскую практику послужил бум монолитно-каркасного домостроения с безбалочными плитами перекрытий, где традиционное наращивание сечения ведет к значительному росту нагрузки на здание, что приводит к необходимости усиления несущих конструкций здания, и соответственно к несоизмеримым финансовым затратам.

1.2 Отечественные и зарубежные экспериментальные исследования железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами, при различных видах напряженно-деформированного состояния

Исследования в области усиления строительных конструкций композитными материалами действительно начались преимущественно за рубежом, однако в СССР был сделан важный вклад. Пионером стала Л.А. Черкалина [60], которая в 1979-1983 гг. экспериментально доказала эффективность стеклопластиковых обойм для усиления изгибаемых железобетонных элементов. Её работы показали, что такие обоймы повышают несущую способность на 25-40% за счёт ограничения трещинообразования и перераспределения напряжений.

К сожалению, после распада СССР эти исследования прервались и возобновились лишь в 2000-х годах. За последнее десятилетие в России наблюдается:

• Рост интереса к композитным технологиям — внедрение методов внешнего армирования углеволокном регламентировано СП 164.1325800.2014, что стимулировало их применение в реальных объектах, т.к. проектировщики смогли опираться на действующую нормативную базу;

• Развитие производства — компании вроде Госкорпорации «Росатом» и ООО «НЦК» наладили полный цикл производства и выпуск отечественных углекомпозитных материалов, а также всех расходных материалов.

• Повышение качества материалов — современные композитные материалы, в том числе и отечественного производства с прочностью до 4,500 МПа, что сопоставимо с зарубежными аналогами, а также эпоксидные адгезивы обеспечивают адгезию к бетону > 2.5 МПа, а защитные покрытия увеличивают огнестойкость систем до уровня, требуемого нормативными документами.

Все это позволяет широко применять композитные материалы при усилении строительных конструкций зданий и сооружений, решая задачи, которые невозможно или очень тяжело выполнить, применяя другие строительные материалы.

1.2.1 Исследования изгибаемых элементов на действие момента

Отечественные исследования

В отечественной практике применения композитных материалов для модернизации строительных конструкций ключевую роль сыграли исследования доктора технических наук В.И. Кулиша, предложившего в конце XX века инновационный метод усиления автодорожных мостовых пролётов посредством предварительно напряжённых стержней из стеклопластика [13]. Данный подход позволил принципиально изменить стратегию реконструкции объектов транспортной инфраструктуры, обеспечив сочетание высокой прочности и коррозионной устойчивости.

Фундаментальный вклад в разработку методик армирования угле- и стеклопластиками внесли Ю.Г. Хаютин (д.т.н.), Е.З. Аксельрод (к.т.н.) и В.Л. Чернявский (инж.), чьи экспериментальные работы 2000-2004 гг. [59;61] заложили основу для системного применения полимерных композитов в реконструкции железобетонных элементов. Параллельно в НИИЖБ под руководством В.А. Клевцова (д.т.н.) и Н.В. Факлуллина (инж.) были разработаны расчётные модели, учитывающие адгезионно-деформационное взаимодействие бетона с внешним армированием [46]. Результатом этих исследований стало издание в 2006 г. нормативного документа - руководства по усилению Ж/Б конструкций композитными материалами.

Дальнейшее развитие научных изысканий, связанных с изгибаемыми элементами связаны с работами д.т.н., проф. А.А. Шилина [62;63], д.т.н., проф. А.Г. Юрьева, д.т.н., проф. С.А. Бокарева [1], к.т.н. А.В. Грановского, д.т.н., проф. Д, Р, Маиляна [15;18;19-21], д.т.н., доц. П.П. Польского [23-25;28-31;35-38] и др.

Д.Н. Смердов [47] занимался изучением несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами. Были испытаны балки, усиленные в нижней грани элементами композитного армирования, с применением и-образных хомутов. Максимальный прирост несущей способности (до 120%) наблюдается при комбинированном применении продольного армирования и бокового загиба холстов.

Зарубежные исследования

В отечественной практике исследования по усилению железобетонных конструкций композитными материалами начались в начале 1980-х годов. Первоначальные эксперименты носили преимущественно пробный характер и проводились на образцах малых габаритов, таких как призмы квадратного сечения с рёбрами 100-200 мм. Позднее появились образцы прямоугольного сечения (200^150 и 200^300 мм), которые существенно отличались от стандартных размеров балок, используемых в российском строительстве. Эти работы заложили основу для последующих исследований.

Среди зарубежных учёных, внесших вклад в эту область, можно выделить:

• М. Хусейна (США), изучавшего поведение композитных систем при динамических нагрузках [81];

• А.Р. Хутчинсона (США), исследовавшего адгезионные свойства углеродных ламинатов [82];

• И.П. Фаннинга (США), анализировавшего влияние геометрии сечения на эффективность усиления [78];

• Р. Куантрила (Франция), занимавшегося оптимизацией шага армирования [99];

• М. Хукви (Канада), изучавшего усталостные характеристики стеклопластиковых стержней [80].

Э. Девид и его коллеги из Франции провели серию испытаний на 10 образцах балок сечением 150^300 мм и длиной 3 м. Эксперименты включали: эталонную балку без усиления, а также 9 усиленных образцов с использованием:

• Пластины Delmat (толщинами 3 мм и 6 мм);

• Стеклопластиковых стержней Jitec (диаметром 7,4 мм);

• Углеродных ламинатов Sikadur (ширина 50 мм, толщина 1,2 мм).

Все балки разрушались по нормальным сечениям, причём механизмы разрушения варьировались:

• Для стеклопластика (пластины 3 мм) — разрыв композита и дробление бетона в сжатой зоне;

• Для углеродных ламинатов — отслоение при сдвиге между стальной и композитной арматурой;

• Для двухслойного армирования — разрушение бетона в растянутой зоне без отслоения композита.

Ключевые выводы:

1. Приращение несущей способности составило 10% для стеклопластика и 77% для двухслойных углеродных ламинатов.

2. Балки с углепластиковым усилением демонстрировали более хрупкий характер разрушения, в отличие от стеклопластика, где процесс был плавным.

3. Ширина трещин до 0,5 мм не влияла на несущую способность, но двухслойное армирование увеличивало жёсткость и прочность.

4. Внешнее армирование снижало раскрытие трещин в зоне чистого изгиба, несмотря на увеличение их количества.

Итальянские исследователи М. Ардуини и А. Нанни [71] провели серию экспериментов по усилению железобетонных балок углетканями из композитных материалов в несколько слоев. Варьировались следующие факторы:

• Сечение балок (ширина х высота): 320х 110 мм и 110x320 мм;

• Ширина углеродных холстов: от 140 до 300 мм;

• Методы подготовки поверхности: шлифовка; пескоструйная обработка;

• Схемы усиления: под нагрузкой (30% от разрушающей), преднапряжённый углепластик, усиление боковых граней.

В результате исследования установлено, что балки с соотношением высоты к ширине >1 демонстрировали на 25% более высокую эффективность усиления за счёт оптимизации распределения напряжений. Пескоструйная обработка увеличивала адгезию на 40% по сравнению со шлифовкой, снижая риск отслоения композита. Большая часть образцов разрушились из-за отслоения углепластика в зоне анкеровки, что подтверждает критичность качества монтажа, а также важность такого показателя, как адгезия клеевого состава к бетону. Предварительное трещинообразование не снижало несущей способности, но требовало усиления растянутой зоны с загибом материала на боковые грани для компенсации деформаций.

Американские ученые Ж. Спадеа и Ф. Бенкардино [1 06] в конце 90-х выполняли исследование, посвященное влиянию и-образных анкеров, по всей длине конструкций, усиленных ламелями.

Экспериментальные исследования в Орегонском государственном университете [79] в 2001 году - научная группа Орегонского университета провела

серию испытаний трёх полноразмерных железобетонных балок габаритами 0,305^0,768x6,1 м. Конструкции с расчётным пролётом 5,5 м подвергались следующим схемам усиления:

• Балка А (контрольный образец) — без дополнительного армирования;

• Балка Б — усилена углеродным холстом длиной 5,84 м с загибом краёв на 140 мм по боковым граням;

• Балка В — локальное армирование в приопорных зонах с переходом в область чистого изгиба.

Анкеровка композита за пределами опорных узлов (200 мм) исключила отслоение материала, обеспечив 100% совместную работу слоёв. Балки А и Б разрушились в зоне действия поперечных сил, тогда как Балка В — в области максимального изгибающего момента. Прирост несущей способности для обеих усиленных конструкций составил около 45%, что подтвердило зависимость механизма разрушения от схемы армирования.

Иранский ученый Ж. Мессам занимался улучшением методологии прогнозирования деформаций ж/б балок, усиленных композитными материалами [87]. Для совершенствования аналитического расчёта прогибов усиленных конструкций Мессамом была разработана модель на основе вариационного принципа. Верификация метода выполнена путём сопоставления с результатами МКЭ-моделирования в ANSYS. Погрешность между вариационной моделью и МКЭ-расчётами не превысила 3%, что подтвердило высокую сходимость предложенного подхода. Также автором выведена аналитическая зависимость для определения прогибов в произвольном сечении, учитывающая нелинейность деформирования композита.

1.2.2 Исследования изгибаемых элементов на действие поперечной силы

Отечественные исследования

Среди отечественных ученых исследованиями по наклонным сечениям занимались:

• Пионером стала Черкалина Л.А. [60], которая в 1979-1983 гг. экспериментально доказала эффективность стеклопластиковых обойм для усиления изгибаемых железобетонных элементов;

• Кулиш В.И. [13] предложивший в конце XX века инновационный метод усиления автодорожных мостовых пролётов посредством предварительно напряжённых стержней из стеклопластика;

• Смердов Д.Н. [47] занимался изучением несущей способности железобетонных пролетных строений мостов, усиленных композитными материалами;

• Маилян Д.Р., Польской П.П. и Шилов А.А. [42-44, 64], изучавшие наклонные сечения изгибаемых элементов с предварительными трещинами и без, усиленных композитными материалами;

Зарубежные исследования.

Среди зарубежных ученых исследованиями по наклонным сечениям занимались:

• ученные из Египта Said M. Alam, Tarek I. Ebeido [66] в 2003 г. провели достаточно большое количество испытаний конструкций, усиленных композитными хомутами, расположенными с двух и трех сторон, а также с хомутом, шириной равной пролету среза. Были получены интересные результаты, говорящие о том, что уровень эффективности усиления зависит от расположения и ширины и типа данных хомутов.

• Китайские ученые Weiwen Li, Christopher K.Y. Leung [83] в 2017 г. изучали зависимость прочности от пролета среза изгибаемых элементов, усиленных композитом. Было испытано 12 образцов и сделан вывод, что с уменьшением пролета среза - эффективность хомутов уменьшается.

• M.S. Alam, A. Hussein [67] из Канады (2017 г), исследование посвящено взаимосвязи между прочностью наклонных сечений и нагрузкой в балках, армированных FRP (фиброармированными полимерами) без поперечной арматуры;

• Nino Spinella [107] из Италии (2019 г), изучал моделированию сдвигового поведения железобетонных балок, усиленных FRP (фиброармированными полимерами). Автор разработал аналитическую модель на основе метода модифицированной теории полей сжатия (MCFT), которая позволяет прогнозировать распределение напряжений и деформаций в балках при сдвиговых нагрузках. Результаты подтвердили, что FRP-усиление значительно повышает прочность наклонных сечений, а предложенная модель может использоваться для оптимизации проектирования таких конструкций.

• H. Naderpour, O. Poursaeidi, M. Ahmadi [91] из Ирана (2018 г), их исследование посвящено прогнозированию прочности по наклонным сечениям балок, армированных FRP-стержнями, с использованием искусственных нейронных сетей (ИНС). Для обучения нейронной сети была использована база данных из 110 экспериментальных образцов. Модель показала высокую точность и сходимость результатов прогнозирования с экспериментальными данными.

• Kourosh Nasrollahzadeh, Reza Aghamohammadi [93] из Ирана (2018 г), анализировали надёжность нормативных методов расчёта прочности по наклонным сечениям балок, армированных FRP, согласно стандартам ACI 440.1R и CSA S806. Использована база данных из 288 балок без поперечной арматуры и 109 балок с композитными хомутами из экспериментов. В результате исследований сделаны выводы, что действующие нормативные документы дают заниженные значения надежности для элементов, усиленных композитными поперечными хомутами, что требует доработки и актуализации нормативной базы.

Анализ современных зарубежных публикаций демонстрирует наличие обширного массива данных по рассматриваемой проблематике. Тем не менее, существенной проблемой является отсутствие в большинстве исследований детальной информации о физико-механических свойствах применяемых материалов, в том числе композитных. Кроме того, недостаточно проработана взаимосвязь между действующими нагрузками и возникающими деформациями, а также характеристиками трещинообразования исследуемых конструкций. Данная

ситуация существенно затрудняет проведение корректного сравнительного анализа результатов как отечественных, так и зарубежных экспериментальных работ.

Особого внимания заслуживает специфика расчётов железобетонных конструкций, где определение прочности наклонных сечений представляет собой значительно более сложную задачу по сравнению с анализом нормальных сечений. Данная особенность сохраняется и при рассмотрении конструкций, усиленных композитными материалами.

Следует отметить, что исследования железобетонных элементов с усиленными наклонными сечениями характеризуются рядом существенных ограничений. Существующая база экспериментальных данных достаточно небольшая, с зачастую противоречивыми результатами. Более того, большинство испытаний проводилось на ограниченном количестве образцов, геометрические параметры которых существенно отличаются от реальных конструкций.

Серьёзным пробелом является недостаточное изучение влияния начальных наклонных трещин и их раскрытия — явления, неизбежно присутствующего в эксплуатируемых несущих конструкциях. Остаётся открытым вопрос об эффективности различных технологических решений по усилению наклонных сечений. Существенные расхождения в показателях прироста прочности усиленных конструкций обусловлены вариативностью соотношений размеров поперечного сечения изгибаемых элементов.

1.2.3 Исследования сжатых элементов при различных эксцентриситетах

приложения нагрузки Отечественные исследования

Экспериментальными и теоретическими исследованиями композитных материалов при усилении в том числе и сжатых железобетонных конструкций занимались учёные: Кулиш В.И., Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З., Клевцов В.А., Фаткуллин Н.В., Юдина Л.И., Сабирова Р.Х., Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В, Бокарев С.А., Маилян Д.Р., Польской П.П., Михуб А., Грановский А.В., Костенко А.Н. и др., работы которых нашли свое

отражение в многочисленных публикациях [ 1;4;11;13;16; 17;22;32;34;62;63;59 и др]. Однако исследования сжатых элементов в России - единичны.

Большой интерес вызывает работа Костенко А.Н. [11], в которой автор, еще в 2010 году, провел экспериментально-теоретические исследования, связанные с усилением железобетонных колонн и кирпичных столбов материалами из углепластика. Впервые были получены данные о прочности и деформативности железобетонных колонн и кирпичных столбов, усиленных композитными материалами и испытанных с эксцентриситетом приложения нагрузки. Сделаны основные выводы: для условно центрально сжатых стоек несущая способность была увеличена на 53%; при отношении эксцентриситета к высоте сечения равном 0,32 (большие эксцентриситеты) эффект от усиления композитными бандажами колонн и кирпичных стоек- порядка 20-30%.

Вопросами усиления сжатых и изгибаемых конструкций композитными материалами занимался Орлович Р.Б. [27]. Была оценена эффективность методов усиления элементов как классическим, так и современными с применением композитных сеток (ФАП). Наибольшую эффективность показали образцы, усиленные сетками из стекловолокна по всей высоте образцов, коэффициент усиления составил 1600кН/550кН=2.9, что сопоставимо с усилением столбов стальной обоймой из уголков Ь60х60х5. Проведенные исследования показали высокую эффективность применения сеток из композитных материалов при усилении сжатых и сжато-изгибаемых элементов.

Зарубежные исследования

Исследование американских ученых Richart F.E., Brandtzaeg A., Brown R.L. [100], которое выполнялись в 1928 г., представляет собой фундаментальную работу по изучению поведения бетона в сложном напряженном состоянии. Исследования проводились на базе экспериментальной лаборатории Иллинойского университета. Исследования заложили основу для дальнейшего развития теории прочности бетона и методов его расчета при сложном напряженном нагружении.

Также американские исследователи Mander J.B., Priestly Park R., в 1988 году занимались разработкой теоретической модели напряженно-деформированного состояния бетона в условиях обжатия обоймой из композитных материалов. Была создана математическая модель, описывающая поведение бетона при сжатии в условиях обжатия; описана зависимость «напряжения-деформации» и коэффициента Пуассона.

Интересное предложение было сделано учеными Lilistone D., Jolly C.K. в 2000 году [85] - исследование посвящено разработке инновационной технологии армирования бетонных колонн с использованием современных композитных материалов. Была применена новая методика усиления и армирования железобетонных колонн композитными материалами, где использовали сборные трубы из композитных нитей, которые были поперечно ориентированы. Композит являлся не только конструктивной арматурой колонн, но и применялся в качестве барьера для атмосферных газов и хлоридов. Также положительный эффект на несущую способность оказывало трехосное обжатие бетона.

В настоящее время, когда строительная индустрия активно развивается и внедряет инновационные решения, технология усиления железобетонных конструкций посредством композитных обойм демонстрирует впечатляющие результаты и уверенно занимает передовые позиции среди прочих методов применения композитных материалов. Особенно широкое применение данная методика находит при работе со сжатыми элементами, где требуется увеличение несущей способности в поперечном направлении [71;108;86 и др.].

Работа американских ученых Seible F., Burgueno R., Abdallah M.G., Nuismer R. [103], занимавшихся усилением опор мостов при действии сейсмических нагрузок сделало важный вклад в развитие технологий сейсмического усиления мостовых конструкций с использованием современных композитных материалов, что особенно актуально для регионов с высокой сейсмической активностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Умаров Артур Гасанович, 2025 год

тура

м р

а

р

е ем о н

йк ыо вл а

ко ба

д

я р

о

С

а

о н по

т к те

о б

ла и ба тс

я о ин рч ео

о &

п

к о л а

б р

ф и

ьо

д

й йо

н

а

л

ощ л л

С

т и

до иоз

од опм рм рп ок

& ° а

Нагрузка - ^¡^ кН,

воспринимаемая балкой при ширине раскрытия нормальных трещин, Дсгс, мм

0,05

0,1

0,2

0,25

1

2

4

10

и

и й

о

там нот

уи

з

о п

ео ык нй й

н ой о е от р

луу инт

сяа

у тя м

о

ы а а тр нй е ой н ь л

Э

ап од

та ро

А

бу-Х1-0-1

16,2

32,5

57,5

70,0

бу-Х1-0-2

13,75

26,25

55,0

66,25

бу-Х -0-1

20,0

35,0

66,25

78,25

Б

бу-Х -0-2

17,5

40,0

70,0

81,75

бу-Х3Ьр-i-1

— / 0,7

16,25

25,0

45,0

55,0

В

бу-х3с - i -2

— / 0,7

12,5

18,75

36,25

43,75

бу-Х4Ьр - II -1

— / 1,4

36,25

46,5

75,0

83,5

Г

бу-Х4Ьр- II -2

— / 1,4

30,0

43,75

72,0

81,75

и й

ч

е

й

я

етй

оп с о

п р ру

е и ат

ын й м

нн о р

ен ат а

ил аж й

с

у

« О

о н т

и н из

ль оп

ум до е о ок

О

Й

н

о н

з

та тэ р

10

11

12

13

14

15

16

бу-Х2ЬС - i-1

5,0 / —

34,0

46,5

75,0

86,5

Д

бу-Х2ЬС - I -2

5,0 / —

30,0

41,75

71,75

82,5

бу-Х3ЬсЬр- i-1

5,0 / 0,7

22,5

40,0

75,0

85,0

Е

бу-Х3ЬсЬр - I -2

5,0 / 0,7

1,5

35,0

70,0

81,75

Ж

бу-Хз!с!2р- II -1

5,0 / 1,4

50,0

57,75

117,5

140,0

бу-Хз!с12р- II -2

5,0 / 1,4

52,5

62,5

125,0

146,75

И

бу-Х4ЬсЬр- II -1

10,0 / 1,4

50,0

75,0

155,5

170,25

БУ-Х4ЬсЬр-II -2

10,0 / 1,4

56,5

82,5

162,5

177,5

3

5

6

7

8

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Примечания: Величина нагрузки, соответствующая определенной ширине раскрытия трещины - асгс, получена с использованием графиков изменения ширины нормальных трещин в процессе испытания опытных образцов, подробный анализ которых приведен в главе 4.

Таблица 3.4

Опытная ширина раскрытия нормальных трещин для эталонных и усиленных балок при нагрузках, соответствующих предельно-допустимым

Этап исследования балок по виду композитного усиления Порядковый номер балок Серия балок Шифр балок Площадь продольной композитной арматуры А/, см2 Опытные значения as, crc и а/crc, мм при нагрузке: Отношение а / crc/ а s,crc при нагрузке:

Соответст вующей fuit=W200 Предшествую щей разрушению Соответству ющей fuit=W200 Предшествующей разрушению

1 2 3 4 5 6 7 8 9

I этап Элементы, усиленные хомутами и продольной растянутой композитной 1 А бу-Х1-0-1 — 0,4 0,41 — —

2 бу-Х1-0-2 — 0,34 0,37 — —

3 Б бу-Х2-0-1 — 0,33 0,38 1,0 0,97

4 бу-Х2-0-2 — 0,4 0,44 1,0 1,128

5 В бу-Х3!р- I-1 — / 0,7 0,48 1,005 1,315 2,56

6 бу-Х3!р - I -2 — / 0,7 0,53 0,95 1,452 2,32

7 Г бу-X4Lp- II -1 — / 1,4 0,52 0,95 1,452 2,32

8 БУ-Х4Ьр- II -2 — / 1,4 0,48 1,05 1,315 2,56

II этап Элементы усиленные поперечной и разномодульной сжатой и растянутой композитной арматурой 9 Д БУ-Х2!с - I -1 5,0 / — 0,33 0,44 0,904 1,073

10 БУ-Х2!с - I -2 5,0 / — 0,43 0,4 0,822 0,976

11 Е бу-X3LcLp- I-1 5,0 / 0,7 0,46 1,15 1,26 2,81

12 бу-X3Lcrp* - I -2 5,0 / 0,7 0,4 0,9 1,096 2,19

13 Ж бу-Хз!с!2р- II -1 5,0 / 1,4 0,36 0,56 0,986 1,366

14 бу-Хз^р- II -2 5,0 / 1,4 0,26 0,42 0,712 1,024

15 И БУ-Х4!с1р- II -1 10,0 / 1,4 0,185 0,6 0,507 1,46

16 бу-X4LcLp - II -2 10,0 / 1,4 0,22 0,92 0,603 2,24

Примечания:

1) В числителе столбца 5 приведена площадь сжатой композитной арматуры, а в знаменателе - растянутой;

2) Данные, представленные в столбцах 8 и 9 получены путем деления опытных значений ширины раскрытия нормативных трещин в столбцах 6 и 7 на среднее значение величины асГС для балок №3 и №4, равные соответственно 0,365 и 0,41мм.

N, кН

по

Неге, мм

N, кН

110

Неге, мм

N, кН

160 150

fiS^i

ё £

гг О

II

"ЗЬ е Неге, мм

N, кН

ISO

ШоГ!

(№8)

S S

о"

-j и

зЬ 3 Неге , мм

00 2

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20

Рис. 3.2 Сопоставление ширины раскрытия нормальных трещин опытных образцов, усиленных только поперечными хомутами (балки №1-№4) и дополнительной продольной растянутой композитной арматурой - (№5-№8)

N, кН

N, кН

(№9)

Г (N21U)

£ £

ГГ о

II

sb о Here, мм

(Ш11

/ №1, 5

г

£ £

т о"

II и

з С в Here,

N, кН

/

1 513 W

X

V /

/(№14)

% £

о

■и и sb в

Here, мм

N, кН

£

(Л1п1 С\

К

£ £

т о

II +J tj

3G а Here, мм

oo

3

0,00 0,10 0,20 0,30 ОАО 0,50 0,60

о,оо о,1л о.го 0,3(1 o,io о,ю о.ео о,то о,so 0,90 1,00 1,10 1,го

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

Рис. 3.3 Сопоставление ширины раскрытия нормальных трещин опытных образцов, при усилении поперечной и сжатой среднемодульной композитной арматурой (№9,№10) и дополнительной высокомодульной продольной

растянутой арматурой, расположенной в один или два слоя (№11-№16)

Рис. 3.4 График изменения средних значений опытной ширины раскрытия нормальных трещин для условно эталонных балок (серии А, Б, Д), усиленных поперечной и продольной композитной арматурой в растянутой зоне (серии В, Г) и балок одновременно усиленных хомутами и продольной сжатой и растянутой композитной арматурой - серии Е, Ж, И

3.4 Деформативность опытных балок

Результаты испытания опытных образцов по прочности и деформативности изгибаемых элементов, усиленных только в поперечном направлении и комбинированно-усиленных в поперечном и продольном направлениях в данном параграфе представлены только графиками зависимости прогибов 16-ти опытных образцов по каждому виду конкретного усиления (рис. 3.5, 3.6) и графиками изменения средних значений прогибов образцов - рис. 3.7, исследуемых на I и II этапах, где представлены образцы серий А-Г и Д-Н - соответственно.

Анализ этих графиков, на которых представлена нагрузка, предшествующая этапу разрушения, показал следующее:

- Условно эталонные образцы, усиленные только поперечными хомутами, а именно, хомутами в пределах пролетов среза (серия А) и по всему пролету, включая зону чистого изгиба (серия Б) трехслойными и пятислойными хомутами, разрушились едва достигнув величины прогиба ^ =9мм, которое

соответствует его предельно допустимому значению (/игс = ^/20 о). Практически одинаковую картину изменения прогиба показали и балки №9 и №10 серии Д. Их прочность в среднем на 7,6% выше по сравнению с образцами №3 и №4, имеющих аналогичное поперечное армирование. Однако жесткость образцов заметно выше, которая хорошо просматривается по величине прогиба.

- Образцы №5-№8 в дополнение к хомутам были усилены только в растянутой зоне. При этом образец №6 показал заметно больший прогиб и меньшую прочность. Здесь сказалось влияние повторного испытания образца №4, который был усилен вторым слоем высокомодульного ламината после разрушения с раскрытием трещин в процессе испытания до 0,8 мм. Заметен и большой разброс прогибов между образцами серии В.

N кН

180

N5 кН

100

Г, мм

N.

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 .

кН

Г, мм

N кН

160

150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 о

/

/ ✓

У / (ш. )