Сообщение

Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами

Содержание материала

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Настоящее Руководство разработано в развитие Свода Правил СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры».

В Руководстве приведена методика расчета усиливаемых железобетонных конструкций внешним армированием композиционными материалами на основе углеродных, арамидных и стеклянных волокон (фиброармированными пластиками, далее ФАП).

Основные положения настоящего Руководства распространяются на:

- железобетонные конструкции, не имеющие повреждений, но требующие усиления в связи с увеличивающимися в результате реконструкции (в т.ч. перепрофилирования) сооружений расчётными эксплуатационными нагрузками или из-за изменения схем работы конструктивных элементов зданий и сооружений;

- железобетонные конструкции, поврежденные в ходе эксплуатации ("отстрел" защитного слоя, коррозия арматуры и бетона, наличие трещин, непроектных прогибов, и т.д.) с целью восстановления их эксплуатационных свойств и повышения долговечности.

В Руководстве рассматривается усиление конструкций композиционными материалами как заводского изготовления (ламинаты), так и создаваемыми непосредственно на строительном объекте из тканей (лент, холстов) за счёт пропитки и наклейки их специальными полимерными составами (в основном на эпоксидной основе).

В основу разработки настоящего Руководства положен опыт проектирования и выполнения работ по усилению конструкций ООО «ИнтерАква», исследования, проведенные в НИИЖБ , результаты многочисленных зарубежных экспериментальных исследований, рекомендации производителей композиционных материалов для усиления строительных конструкций, а также анализ данных практического применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций в России и за рубежом.

Единицы физических величин, приведенные в Руководстве: силы выражены в ньютонах (Н) или килоньютонах (кН); линейные размеры - в "мм" (для сечений) или в "м" (для элементов или их участков); напряжения, сопротивления и модули упругости - в мегапаскалях (МПа); распределенные нагрузки и усилия - в кН/м или Н/мм.

Учитывая отсутствие достаточного опыта применения ФАП в России, в Руководстве приведены рекомендации по технологии производства работ.

Руководство разработано ООО «Интераква» (инж. Чернявский В.Л., д.т.н. Хаютин Ю.Г., к.т.н. Аксельрод Е.З.) и НИИЖБ (д.т.н., проф. Клевцов В.А., инж. Фаткуллин Н.В.).


1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1. Максимальная эксплутационная температура работы системы ФАП не должна превышать температуру стеклования полимерной матрицы и клея (ориентировочно 60-150°С).

1.2. Внешние ФАП используются для продольного и поперечного армирования стержневых элементов, для создания армирующих усиляющих оболочек на колоннах и опорах мостов, эстакад, консолях колонн, для усиления плит, оболочек, элементов ферм и других конструкций.

1.3. Рациональной степенью усиления с помощью системы ФАП является диапазон 10-60% от начальной несущей способности усиливаемой конструкции.

1.4. Система усиления ФАП может применяться, если фактическая прочность на сжатие бетона конструкции составляет не менее 15 МПа. Это ограничение не распространяется на усиление сжатых и внецентренно сжатых элементов горизонтальными обоймами, когда важна только механическая связь обоймы с конструкцией.

1.5. За основной метод расчета принят метод предельных состояний. Расчет конструкций, усиленных ФАП, по первой группе предельных состояний производится во всех случаях. Расчет по второй группе предельных состояний производится только в тех случаях, когда расчетная нагрузка после усиления увеличивается.

1.6. Расчет системы усиления на основе ФАП требует рассмотрения нескольких видов разрушения и предельных состояний усиленного элемента. Поэтому вначале рекомендуется ориентировочно назначить площадь сечения ФАП выбранного типа и затем изменять её в соответствии с результатами проверок соответствующих предельных состояний. Расчеты проводятся итерационно, поэтому желательно применение компьютерных программ для автоматизации вычислений.

1.7. Определение усилий в элементах конструкций производится с учётом данных, полученных при обследовании, предшествующим усилению.

1.8. Использование системы ФАП не останавливает начавшиеся процессы коррозии арматурной стали в бетоне. Поэтому перед усилением конструкции необходимо обработать бетонную поверхность мигрирующим ингибитором коррозии арматурной стали, а при отделении защитного слоя - оголить арматуру и обработать её грунтом-преобразователем ржавчины и затем восстановить защитный слой специальными полимерцементными ремонтными составами, обеспечивающими высокую адгезию к «старому» бетону, предотвращение развития коррозии арматуры.


2. МАТЕРИАЛЫ

2.1. Характеристики бетона и арматуры при отсутствии в них повреждений принимаются в соответствии со СНиП 52-101-2003 [5].

2.2. При наличии результатов обследования усиляемых конструкций назначение характеристик бетона и арматуры производят с учетом требований СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» [17].

2.3. Для армирования в системе ФАП используются: стекловолокно, арамидные и углеродные волокна. Физико-механические свойства волокон и отвержденных пластиков представлены в справочных Приложениях 5-7.

2.4. Плотность армирующих волокон ФАП находится в пределах 1,2-2,1 г/см3 (табл. 2.1)

2.5. Коэффициент линейного температурного расширения (к.л.т.р.) ФАП зависит от типа волокна, смолы и объемного содержания волокна. К.л.т.р. для армирующих материалов ФАП в продольном и поперечном направлениях представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Плотность армирующих материалов ФАП, используемых для усиления (г/см3)

Сталь

Стекловолокно

Углеродное волокно

Арамидное волокно

7,9

1,2-2,1

1,5-1,6

1,2-1,5

Таблица 2.2

Коэффициенты температурного расширения армирующих материалов ФАП

Направление

к.л.т.р., 10-6/°С

Армирующий материал

Стекловолокно

Углеродное волокно

Арамидное волокно

Продольное, aL

6-10

От -1 до 0

От -6 до -2

Поперечное, aТ

19-23

22-50

60-80

Для справки: к.л.т.р. бетона находится в пределах от 7×10-6 до 11×10-6 и считается изотропным. Сталь имеет к.л.т.р., равный 11,7×10-6.

2.6. При растяжении ФАП имеют линейную зависимость между напряжениями и деформациями вплоть до разрушения. Свойства ФАП в основном определяются типом, ориентацией и количеством армирующих волокон. Механические свойства всех систем ФАП независимо от их вида должны определяться по результатам испытаний образцов слоистого материала с оценкой объемного содержания волокон, которое должно составлять не менее 60%. Механические характеристики многослойных пластиков определяются путем испытания образцов с соответствующим количеством слоев ткани (ленты) в соответствии с ГОСТ 25.601-80 [18]. Основные физико-механические характеристики ФАП и тканей (по данным производителей) приведены в Приложениях 5, 6, 7.


3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3.1. При проектировании усиления железобетонных конструкций с использованием внешнего армирования из ФАП используется метод расчета по предельным состояниям. Важным условием надежной эксплуатации усиленных с помощью ФАП конструкций является соблюдение конструктивных требований (Приложение 1).

3.2. Система усиления на основе ФАП должна проектироваться на восприятие растягивающих усилий с учетом совместности деформаций внешней арматуры и бетона конструкции.

3.3. В предельном состоянии изгибаемого элемента усилия в сжатой зоне воспринимаются бетоном и сжатой стержневой арматурой, а в растянутой - стержневой арматурой и внешней композитной арматурой.

3.4. В предельном состоянии сжимаемых с малым эксцентриситетом конструкций поперечное расширение воспринимается оболочкой из ФАП.

3.5. Расчет внутренних усилий в конструкции определяется на основе гипотезы плоских сечений.

3.6. В расчетах усиления принимается отсутствие взаимных смещений между стальной арматурой и бетоном, а также между наклеенной внешней арматурой ФАП и бетонным основанием.

3.7. В тех случаях, когда схема нагружения железобетонных элементов приводит к изменению знака изгибающего момента, прочность внешней арматуры из ФАП в сжатой зоне не учитывается.

3.8. При проектировании усиления конструкций следует учитывать, что несущая способность неусиленной конструкции должна быть достаточна для восприятия постоянной и ограниченной временной нагрузки в случае повреждения системы усиления вследствие пожара, вандализма или других причин.

3.9. Нормативные характеристики ФАП (прочность на растяжение Rf, модуль упругости Ef, предельная деформация растяжения ef) определяются механическими испытаниями образцов по ГОСТ 25.601-80 [18] с обеспеченностью 0,95. Расчетные характеристики ФАП определяются на базе нормативных характеристик с учетом коэффициента надежности gf и коэффициента условия работы СЕ (Табл. 3.1), учитывающего влияние окружающей среды.


Расчетная прочность на растяжение ФАП с учётом коэффициентов надежности условия работы се определяется по выражению:

clip_image002 (3.1)

а расчетная деформация растяжения:

clip_image004 (3.2)

Расчетные значения модуля упругости при растяжении Еft принимаются равными их нормативным значениям:

clip_image006 (3.3)

Таблица 3.1

Коэффициенты условий работы се для различных материалов ФАП1

______________

1Справедливость применяемых коэффициентов для углепластиков подтверждена дополнительными исследованиями, приведенными в [3].

Условия окружающей среды

Материал

Ламинаты

Ткани

Внутренние помещения

Углерод

0,95

0,9

Стекло

0,75

0,7

Арамид

0,85

0,8

Конструкции на открытом воздухе

Углерод

0,85

0,8

Стекло

0,65

0,6

Арамид

0,75

0,7

Агрессивная среда

Углерод

0,85

0,8

Стекло

0,5

0,5

Арамид

0,7

0,6

Значения коэффициента надежности gf принимаются равными:

- при расчете по предельным состояниям первой группы - 1,1;

- при расчете по предельным состояниям второй группы - 1.0.


4. РАСЧЕТ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ ПЕРВОЙ ГРУППЫ

4.1. Расчет нормальных сечений изгибаемых элементов

Расчет по прочности нормальных к продольной оси сечений железобетонных элементов, усиленных ФАП, следует производить на основе нелинейной деформационной модели согласно п.п. 4.1.24-4.1.37 настоящего Руководства. Расчет элементов прямоугольного, таврового и двутаврового сечений допускается проводить на основе условий равновесия усилий в предельном состоянии, согласно пунктов 4.1.10-4.1.23 настоящего Руководства.

4.1.1. Расчет нормальных сечений изгибаемых элементов по прочности предполагает рассмотрение нескольких видов предельных состояний. В общем случае возможны следующие типы разрушения усиленных элементов:

а) Разрушение сжатой зоны бетона до достижения напряжений текучести в стержневой растянутой арматуре; напряжения в ФАП значительно ниже расчетных (переармированная растянутая зона);

б) Наступление текучести в растянутой стержневой арматуре и последующий разрыв внешней арматуры ФАП без разрушения сжатой зоны бетона;

в) Наступление текучести в растянутой стержневой арматуре и последующее разрушение внешней арматуры ФАП и сжатой зоны бетона;

г) Разрушения от отслоения элементов ФАП.

4.1.2. В последующих пунктах настоящего раздела в качестве общего случая рассматривается усиление прямоугольного сечения железобетонного элемента, армированного стержневой ненапряженной арматурой в растянутой и сжатой зоне. Приведенный ниже расчетный аппарат может быть применен также для проектирования тавровых и двутавровых сечений.

4.1.3. Подбор площади сечения внешней композитной арматуры проводится итерационно, задавая некоторую начальную её величину, а затем корректируя её по результатам расчетов по прочности на действие изгибающих моментов.

4.1.4. Поскольку предельное состояние сечения в общем случае не всегда сопровождается разрушением сжатой зоны бетона, то максимальные напряжения в ней могут не достигать предельных значений. Усилия во внешней арматуре ФАП определяются по величине напряжений sf, которые могут быть равными расчетной прочности на растяжение, или быть ниже её.

4.1.5. Изгибаемые элементы рекомендуется проектировать на случаи разрушения «б» и «в» (п. 4.1.1), т.к. разрушение по первому типу связано с недоиспользованием механических свойств стержневой и внешней арматуры.

4.1.6. Отслаивание ФАП может произойти, если деформация в нём не может быть воспринята основанием. Чтобы предотвратить отслаивание ФАП, нужно ограничить уровень его деформаций. Выражение (4.1) даёт оценку коэффициента условия работы ФАП km, который зависит от жесткости элемента усиления ФАП:

clip_image008 (4.1)

Первое выражение используется при nЕfttf £ 180000, а второе - при nEfttf ³ 180000.

С помощью коэффициента km из выражения (4.1) в расчетах ограничивается достижение предельной деформации разрыва ФАП, что обеспечивает отсутствие отслоения ФАП при расчетных нагрузках. С увеличением жесткости ФАП возрастает вероятность отслоения, и, соответственно, требования к ограничению деформаций становятся более строгими. Поэтому коэффициентом km по сути ограничивается предельное допускаемое усилие, возникающее в арматуре ФАП.

Допустимые предельные расчетные деформации ФАП определяются:

efu £ kmeft (4.2)

Величину достигаемых максимальных деформаций во внешнем армировании ФАП в предельном состоянии можно определить из выражения:

clip_image010 (4.3)

Допустимый уровень напряжений в ФАП определяется по закону Гука:

sfu £ Efefu (4.4)

4.1.7. Расчетная прочность внешнего армирования ФАП Rfu принимается равной значению sfu по выражению (4.4):

Rfu = sfu (4.5)

Расчетная деформация внешнего армирования ФАП при растяжении:

clip_image012 (4.6)

4.1.8. Для подбора сечения внешнего армирования ФАП следует определить уровень деформаций в конструкции от действующих нагрузок. В общем случае он будет зависеть от истории загружения и наличия трещин в конструкции. Наиболее точно начальный уровень деформаций учитывается при использовании деформационной модели расчета, рассмотренной в разделах 4.1.24 - 4.1.30 настоящего Руководства.

Ниже рассмотрен частный случай для сечения с трещиной, работающего в упругой стадии. Высота сжатой зоны бетона определяется из выражения:

clip_image014 (4.7)

Деформация наиболее удаленного от нейтральной оси сжатого волокна:

clip_image016 (4.8)

clip_image018 (4.9)

Тогда деформация наиболее растянутого волокна сечения:

clip_image020 (4.10)

4.1.9. Предельный изгибающий момент, воспринимаемый нормальным сечением после усиления:

Мполн = М0 + Мдоп (4.11)


Расчет по прочности нормальных к продольной оси сечений по условию равновесия усилий

4.1.10. Предельные усилия в сечении, нормальном к продольной оси элемента, следует определять, исходя из следующих предпосылок:

- сопротивление бетона растяжению принимается равным нулю;

- сопротивление бетона сжатию в предельном состоянии представляется напряжениями равномерно распределенными по высоте сжатой зоны и равными Rb;

- для определения деформаций используется гипотеза плоских сечений;

- растягивающие напряжения в стальной арматуре принимают не более расчетного сопротивления растяжению Rs, сжимающие напряжения - не более расчетного сопротивления сжатию Rsc;

- растягивающие напряжения в арматуре из ФАП принимают не более расчетного сопротивления растяжению Rfu;

- внешняя арматура и бетон сохраняют полное сцепление и работают совместно до наступления предельного состояния;

- деформация сдвига в клеевом слое не учитывается.

4.1.11. При подборе площади сечения внешней арматуры из ФАП нельзя допускать превышения граничных процентов армирования, установленных в СП 52-101-2003 [4]. Расчет по прочности нормальных сечений следует производить в зависимости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны бетона x = x/h0, определяемым из соответствующих условий равновесия, и значением граничной относительной высоты сжатой зоны xR, при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой стальной арматуре напряжения, равного расчетному сопротивлению Rs. При этом также нужно учитывать соотношение между значением относительной высоты сжатой зоны бетона xf = x/h и значением граничной относительной высоты сжатой зоны xRf, при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре из ФАП напряжения, равного её расчетному сопротивлению Rfu.1

_______________

1 В процессе усиления на растянутую грань элемента добавляется дополнительный слой армирования из композиционных материалов. Координаты этого слоя арматуры по высоте для простоты расчета и ввиду его малой толщины (обычно порядка 1-2 мм) принимаются равными координатам крайнего растянутого волокна бетона.

4.1.12. Значение граничной высоты сжатой зоны xR определяют по формуле {6.11 [4]}:

clip_image022 (4.12)

4.1.13. Значение xRf определяют по формуле:

clip_image024 (4.13)

ebu1 принимается равным eb0 для непродолжительного действия нагрузки и eb2 для продолжительного, в соответствии с {п. 5.1.12 [4]};

Rfu принимается по разделу 4.1.7 настоящего Руководства;

w принимается равным w = 0,85 - 0,008Rb

Для ФАП отношение Rfu/Ef, представляет собой предельную относительную деформацию при растяжении. В подавляющем большинстве случаев она находится в диапазоне (0,3 - 1%). Это больше, чем деформация текучести стали Rs/Es (0,2%), и поэтому xRf будет меньше, чем xR.

4.1.14. Расчет по прочности сечений изгибаемых элементов, усиленных ФАП, производят из общего условия:

M < Mult (4.14)


4.1.15. Для сечения, симметричного относительно плоскости действия момента и дополнительном армировании композитными материалами, расположенном на грани элемента (рис. 4.1) расчетное условие прочности записывается в виде:

М < sfSf + RsSs + RscSsc (4.15)

4.1.16. Высоту сжатой зоны находят, используя уравнение равновесия:

clip_image026 (4.16)

4.1.17. Высота сжатой зоны x при разрушении усиленного сечения по арматуре и ФАП (x < xRf < xR) определяется из выражения:

clip_image028 (4.17)

тогда значение Mult может быть найдено следующим образом:

clip_image030 (4.18)

4.1.18. Высота сжатой зоны х при разрушении бетона сжатой зоны усиленного сечения и достижения в растянутой и сжатой стержневой арматуре напряжений, равных пределу текучести, определяется из выражения:

clip_image032 при xRf < x < xR (4.19)

тогда предельный изгибающий момент равен:

clip_image034 (4.20)

4.1.19. В случае, если напряжения в растянутой стержневой арматуре и в ФАП не достигли предельных, а прочность бетона сжатой зоны исчерпана и напряжения в сжатой стержневой арматуре достигли предела текучести, высота сжатой зоны определяется из выражения:

clip_image036 при xRf < xR < x (4.21)

clip_image037

Рис. 4.1. Расположение усилий в поперечном прямоугольном сечении усиленного элемента

тогда предельный изгибающий момент:

clip_image039 (4.22)

4.1.20. Напряжения в ФАП и стержневой арматуре могут быть найдены из выражений (4.23) и (4.24) соответственно:

clip_image041 (4.23)

clip_image043 (4.24)

где ebi определяется из выражения (4.10).

4.1.21. При расчете рекомендуется высоту сжатой зоны находить итерационно. На первом этапе принимается высота сжатой зоны, полученная из выражения (4.17). Затем вычисляются напряжения в стержневой арматуре и ФАП по выражениям (4.23) и (4.24) и проверяется равновесие внутренних сил. Если оно не выполняется, то высота сжатой зоны должна быть скорректирована. Расчет повторяется заново до тех пор, пока равновесие внутренних сил не будет выполнено.

Такой порядок рекомендуется и в тех случаях, когда из первого этапа расчетов получается, что сечение переармировано (x > xR). Введение в уравнение равновесия на втором этапе напряжения в композите, полученного по выражению (4.24), приведет к значительному уменьшению высоты сжатой зоны. На следующем этапе значение х следует принять как среднее арифметическое от первых двух и повторить расчет. Практика показывает, что уже на 4-й итерации можно добиться удовлетворительного результата (» 5%).

4.1.22. После подбора площади сечения арматуры ФАП необходимо проверить напряжения и деформации в ней, которые не должны превышать предельно допустимых величин Rfu или efu, определенных по п. 4.1.7. Это условие соблюдается, когда фактическая относительная высота сжатой зоны бетона x меньше граничной xRf, определенной из выражения (4.13).

4.1.23. По окончании расчетов усиленного нормального сечения необходимо провести проверку обеспечения несущей способности по наклонным сечениям.


Примеры расчета

 

Пример 1. Дано: сечение размерами b = 300 мм, h = 800 мм, а = 70 мм; растянутая арматура А400 (Rs=355 МПа); площадь её сечения As = 2945 мм2 (6Æ25); бетон класса В25 (Rb = 14,5 МПа); изгибающий момент 650 кНм. Элемент конструкции находится во внутреннем помещении. Начальные деформации бетона не учитывать.

Требуется проверить прочность сечения и при необходимости запроектировать усиление из углепластика холодного отверждения со следующими характеристиками: нормативная прочность Rf = 1400 МПа, Ef = 120000 МПа, расчетная толщина монослоя tf = 0,175 мм.

Расчет:

h0 = 800 - 70 = 730 мм

Проверку прочности производим согласно {п. 3.20 [7]}.

Определим значение х:

clip_image045 мм

По {табл. 3.2 [7]} находим xR = 0,531

Так как

clip_image047

проверяем условие {(3.20) [7]}:

RsAs(h0 - 0,5x) = 355 × 2945 × (730 - 0,5 × 240) = 636,8 × 106 Нмм = 636,8 кНм < М = 650 кНм

т.е. прочность сечения не обеспечена.

Расчет усиления:

Для усиления на нижнюю растянутую поверхность балки наклеивается один слой углеродной ткани шириной 300 мм. Расчетный модуль упругости Еf = Еft = 120000 МПа

Предельная деформация растяжения

clip_image049

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п. 3.9) gf = 1,1

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) СЕ = 0,9

Расчетная прочность по формуле (3.1) равна

clip_image049[1]

Тогда расчетная деформация растяжения по формуле (3.2) равна

clip_image051

Расчетный модуль упругости Ef = Eft = 120000 МПа.

Проверяем условие (4.1) для отслаивания:

nEfttf = 1 × 120000 × 0,175 = 21000 < 180000

clip_image053

Так как km не должен превышать 0,9 принимаем km =0,9.

Поскольку начальные деформации бетона не учитываются, то

efu = kmeft = 0,9 × 0,00957 = 0,00861

Из (4.4) sfu = Efefu = 120000 × 0,00861 = 1033 MПа

Расчётная прочность углеткани по формуле (4.5) равна Rfu = sfu = 1033 МПа.

Определяем предельное значение относительной высоты сжатой зоны бетона для внешней арматуры

a = 0,85

w = a - 0,008Rb = 0,85 - 0,008 × 14,5 = 0,734

В формулу для xRf (4.13) подставляем значение прочности Rfu

clip_image055

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 300 × 0,175 = 52,5 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

clip_image057

clip_image059,

следовательно напряжение по внешней арматуре меньше расчетного. Проверяем напряжение по выражению (4.24)

clip_image061 МПа

clip_image063

Поскольку недоиспользование прочности внешней арматуры небольшое, принимаем sf = 954 МПа.

Предельный изгибающий момент по (4.20):

clip_image065

Прочность сечения обеспечена.


Пример 2. Дано: сечение размерами b = 300 мм, h = 700 мм, а = 50 мм; а' = 30 мм; растянутая и сжатая арматура А400 (Rs=355 МПа); площадь сечения Аs = 3054 мм2 (3Æ36); clip_image067 = 942 мм2 (3Æ20); бетон класса В30 (Rb = 17 МПа). Действующий изгибающий момент от эксплуатационной нагрузки М0 = 500 кНм.

Конструкция эксплуатируется в г. Москве на открытом воздухе. В связи с реконструкцией появляется кратковременная нагрузка, вызывающая дополнительный изгибающий момент 250 кНм и, таким образом, полная нагрузка составит 750 кНм.

Требуется проверить прочность сечения и при необходимости запроектировать усиление из углепластика горячего отверждения (ламината) со следующими характеристиками: нормативная прочность Rf = 3100 МПа, Еf = 170000 МПа, толщина монослоя tf= 1,4 мм.

Расчет:

h0 = 700 - 50 = 650 мм

Проверку прочности производим согласно п. 3.18 [7].

Определим значение х:

clip_image069

По {табл. 3.2 [7]} находим xR=0,531

Так как clip_image071, проверяем условие {(3.17) [7]}:

clip_image073

т.е. прочность сечения не обеспечена.

Расчет усиления:

Предполагаем, что на нижнюю растянутую поверхность балки наклеивается один слой ламината шириной 100 мм.

Определим значения деформаций крайнего растянутого волокна бетона от эксплуатационной нагрузки в соответствии с разделом 4.1.8:

clip_image075

Находим высоту сжатой зоны по формуле (4.7):

clip_image014[1]

6,15 × 3054 × (650 - х) - 5,15 × 942 × (х - 30) - 0,5 × 300 × х2 = 0

отсюда х = 297 мм.

Момент инерции приведенного сечения по формуле (4.9):

clip_image077

Деформация крайнего сжатого волокна по формуле (4.8):

clip_image079

Деформация крайнего растянутого волокна по формуле (4.10):

clip_image081

При дальнейшем расчете величину деформаций ФАП следует уменьшать на значение ebi.

Определим предельную деформацию растяжения ФАП:

clip_image083

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п. 3.9) gf = 1,1.

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) СЕ = 0,85.

Расчетная прочность (3.1)

clip_image085

Тогда расчетная деформация растяжения (3.2)

clip_image087

Расчетный модуль упругости Ef = Еft = 170000 МПа

Проверяем условие (4.1) для отслаивания:

nEftf = 1 × 170000 × 1,4 = 238000 > 180000

clip_image089

Принимаем km = 0,447, тогда предельная расчетная деформация углепластика

efu £ kmeft = 0,447 × 0,0141 = 0,0063

sfu = Eftefu = 170000 × 0,0063 = 1071 МПа

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона xRf усиленного сечения определяем по расчётной прочности углеродного ламината sfu, в соответствии с разделом 4.1.7 настоящего Р.

Rfu = sfu = 1071 МПа

a = 0,85

w = a - 0,008 Rb = 0,85 - 0,008 × 17 = 0,714

По выражению (4.13):

clip_image091

где ebui = eb0 = 0,002 - предельная относительная деформация бетона при непродолжительном действии нагрузки в соответствии с разделом {5.1.12 [4]}.

xRf = xRf × h = 0,339 × 700 = 237 мм

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 100 × 1,4 = 140 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

clip_image093

Проверяем относительную высоту сжатой зоны:

clip_image095

следовательно, сечение не переармировано.

clip_image095[1],

т.е. напряжение по внешней арматуре при разрушении сечения больше расчетного, что недопустимо. Необходимо увеличить площадь углепластика.

Увеличение количества слоев ламината не приведёт к соответствующему увеличению усилия, развиваемого во внешней арматуре. Это связано с коэффициентом km, ограничивающем деформации композита для предотвращения отслаивания внешней арматуры. Поэтому необходимо увеличить ширину композита.

Увеличиваем ширину ламината до 200 мм.

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 200 × 1,4 = 280 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

clip_image097

Проверяем относительную высоту сжатой зоны:

clip_image099

следовательно, сечение не переармировано.

clip_image101

необходимо ещё более увеличить площадь углепластика.

Увеличиваем ширину ламината до 250 мм.

Площадь сечения внешней арматуры

Af = nfbftf = 1 × 250 × 1,4 = 350 мм2

Определим значение х по выражению (4.17):

clip_image103

Проверяем относительную высоту сжатой зоны:

clip_image105

следовательно, сечение не переармировано.

clip_image107

необходимо проверить напряжение во внешней арматуре.

Определяем напряжение в ламинате по (4.24):

clip_image109

clip_image111 т.е. прочность внешней арматуры используется почти полностью.

Предельный изгибающий момент по выражению (4.20):

clip_image034[1] = 350 × 1071 × (700 - 0,5 × 221) +

+ 3054 × 355 × (650 - 0,5 × 221) + 942 × 355 × (0,5 × 221 - 30) = 833 кНм > 750 кНм

Прочность сечения обеспечена.


Расчет по прочности нормальных к продольной оси сечений по деформационной модели

4.1.24. Расчет прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента, по деформационной модели проводится в соответствии с {п.п. 6.2.21 - 6.2.31 СП 52-101-2003 [4]}, дополненных следующими положениями:

- распределение деформаций бетона, стальной арматуры и ФАП по высоте сечения принимается линейной (гипотеза плоских сечений);

- связь между напряжениями и деформациями бетона, стальной арматуры и ФАП принимается в виде диаграмм состояния (для бетона и стальной арматуры в соответствии с {п. п. 5.1.17 и 5.2.11 [4]}, а для ФАП - линейной по закону Гука);

- связь бетона и внешней ФАП принимается жесткой; после усиления вплоть до наступления предельного состояния сохраняются условия совместности деформаций;

- учитывается напряженно-деформированное состояние (НДС) элемента до усиления.

4.1.25. Расчет равнодействующих внутренних усилий осуществляется численным интегрированием эпюры напряжений в нормальном сечении элемента. Для этого сечение разбивается на малые по высоте полосы (рис. 4.2).

4.1.26. В случаях, когда элемент конструкции на момент усиления нагружен, в расчетах по деформационной модели должно учитываться НДС элемента до усиления. В таком случае расчет усиленной конструкции разбивается на 2 этапа:

1 этап. Определение НДС конструкции до усиления, и при необходимости, её несущей способности;

2 этап. Определение НДС и несущей способности конструкции после усиления.

4.1.27. Расчетная схема деформационной модели представлена на рис. 4.3. Для изгибаемых в плоскости симметрии поперечного сечения железобетонных элементов и расположения оси X в этой плоскости можно записать следующие общие условия равновесия (по аналогии с {п. 6.2.29 [4]}):

clip_image113 (4.23)

clip_image115 (4.24)

Кривизна элемента

clip_image117 (4.25)

4.1.28. Жесткостные характеристики нормального сечения Dij в общем случае следует определять по формулам:

clip_image119 (4.26)

clip_image121 (4.27)

clip_image123 (4.28)

4.1.29. На первом этапе расчета задается некоторый шаг по приращению изгибающего момента. На каждом шаге определяется координата центра тяжести сечения у0:

clip_image125 (4.29)

В матрице D33 последнее слагаемое (clip_image127) принимается равным нулю.

Деформации каждого волокна сечения определяют исходя из равновесия сечения и совместности деформаций волокон при возрастающем внешнем моменте:

clip_image129 (4.30)

clip_image131 (4.31)

причем в матрице D11 (4.26) последнее слагаемое (clip_image133) на первом этапе также принимается равным нулю.

Модули упругости бетона и стали и, соответственно, координата центра тяжести сечения, являются переменными величинами, зависящими от уровня нагружения. Значения у0, Eb и Es для каждого этапа погружения уточняются в ходе итерационного процесса, используя соответствующие величины коэффициентов упругости.

Значения коэффициентов упругости nbi, nsj определяют из соотношения значений напряжений и деформаций в рассматриваемых точках соответствующих диаграмм состояния материалов, деленных на модуль упругости материала {п. 5.1.17-5.1.25 [4]}.

clip_image135 (4.32)

clip_image137 (4.33)

4.1.30. Условие сходимости итерационного процесса выполняется по кривизне элемента 1/rх. При требуемой точности d на некотором шаге п условие сходимости будет иметь следующий вид:

clip_image139 (4.34)

4.1.31. Повторяя расчет и уточняя значения секущих модулей деформаций, в каждом сечении элемента определяем НДС, соответствующее заданной нагрузке. Найденные значения деформаций в каждом волокне в дальнейшем расчете (после усиления) рассматриваются как начальные.

4.1.32. На втором этапе расчета вводится слой внешней арматуры ФАП.

Для изгибаемых элементов влияние начального напряженно-деформированного состояния учитывается с использованием принципа суперпозиции. Элемент конструкции в общем случае до проведения усиления находится под нагрузкой и имеет некоторые деформации e0, определенные на первом этапе расчета. Деформации в основном сечении после усиления находятся как сумма независимых деформаций от нагрузки до усиления и дополнительных деформаций:

eполн = e0 + eдоп (4.35)

4.1.33. Исходя из предположения о жестком контакте внешней арматуры и бетона основного сечения, условие деформирования внешней арматуры под расчетной нагрузкой имеет вид:

clip_image141 (4.36)

где clip_image143 - дополнительная деформация крайнего растянутого волокна бетона.

В расчете деформаций координаты слоя ФАП по высоте для простоты и ввиду малой толщины (обычно порядка 1-2 мм) принимают равными координате крайнего растянутого волокна бетона.

Полный момент, воспринимаемый сечением после усиления:

Мполн= М0 + Мдоп (4.37)

4.1.34. Деформированное состояние изгибаемого элемента можно однозначно охарактеризовать кривизной и координатой центра тяжести сечения:

clip_image145 (4.38)

Значение кривизны на первом шаге расчета усиленного сечения принимается равным кривизне элемента конструкции до усиления clip_image147, поскольку вес всей системы усиления незначителен и не оказывает влияния на напряженно-деформированное состояние конструкции.

Далее при расчете на действие дополнительного момента Мдоп, определяем координату уполн положения нейтральной оси и деформации в бетоне, стальной арматуре и арматуре усиления:

clip_image149 (4.39)

clip_image151 где

clip_image153 (4.40)

clip_image155 где

clip_image157 (4.41)

clip_image159, где clip_image161 (4.42)

На этом этапе расчета в матрицы жесткости D33 и D11 теперь входят слагаемые от внешней арматуры.

Дальнейший расчет с уточнением модуля деформаций усиленного сечения практически не отличается от расчета конструкции без усиления (по аналогии с разделами 4.1.27 - 4.1.31 настоящего Руководства).

4.1.35. Расчет нормальных сечений железобетонных элементов по прочности производят из условий:

clip_image163 (4.43)

clip_image165 (4.44)

clip_image167 (4.45)

Значения предельных деформаций бетона и арматуры eb,ult и es,ult принимают согласно (п. 6.2.25 и 6.2.31 [4]}.

Для изгибаемых элементов, в которых не допускаются трещины, учет работы растянутого бетона элемента осуществляют с использованием условия:

clip_image169, (4.46)

ebt,ult - определяется согласно {п. 6.2.30 [4]}.

4.1.36. Значения предельных деформаций арматуры ФАП ef,ult следует принимать не более:

clip_image171 (4.47)

где efu - предельная деформация растяжения ФАП с учетом коэффициента условий работы и отслаивания, определяемая в разделе 4.1.7 настоящего Руководства;

4.1.37. В результате расчета по предложенной методике определяется несущая способность исходной и усиленной конструкции, а также деформации и напряжения в материалах на любом этапе загружения. Подбор сечения арматуры ФАП производится методом подстановки в исходные данные для расчета такой площади сечения арматуры ФАП, которая обеспечит прочность сечения при заданном внешнем моменте.

clip_image172

Рис. 4.2. Расчетная схема деформационной модели

clip_image173

Рис. 4.3. Эпюры распределения деформаций и напряжений по высоте сечения


Примеры расчета

 

Пример 3.

Рассчитать балку из примера 1 по деформационной модели.

Расчет:

Основные параметры модели приведены в таблице 1*.

Результаты расчета приведены в таблице 2*.

Таблица 1*

Параметры деформационной модели

Бетон

Модуль упругости

Еb

30000

МПа

Призменная прочность

Rbn

14,5

МПа

Деформация 1ой базовой точки

eb1

0,00028

Деформация при напряжениях, равных Rbn

eb0

0,00200

Предельная деформация сжатия

eb2

0,00340

Прочность на растяжение при изгибе

Rbtn

1,0

МПа

Деформация 1ой базовой точки

ebt1

0,00002

Деформация при напряжениях, равных Rbtn

ebt0

0,00010

Предельная деформация растяжения

ebt2

0,00017

Стержневая арматура

Деформация текучести

es0

0,00178

Предельная деформация растяжения

es2

0,01755

Предельная относительная высота сжатой зоны

xR

0,566

Исходный процент армирования

mисх

1,34

%

Внешняя арматура

Площадь сечения

Аf

52,5

мм2

Предельная относительная высота сжатой зоны

xRf

0,302

Конечный процент армирования

mусил

1,43

%

Предельная деформация растяжения

eft

0,0095

Расчетная прочность

Rfu

1031

МПа

Расчетная деформация

efu

0,0086

Таблица 2*

Результаты расчета по деформационной модели

Сечение

Исходное

После усиления

Число шагов

n

644

658

Глубина нейтральной оси

x

292,3

296,2

мм

Относительная высота сжатой зоны

x

0,400

0,406

Момент трещинообразования

Mcr

80

83,0

кНм

Момент текучести стали

My

610

616

кНм

Предельный изгибающий момент

Мult

644

658,0

кНм

Предельная кривизна

r

12

15

10-6 мм

Деформация верхнего волокна бетона

eb

-0,00343

-0,00342

Деформация сжатой арматуры

clip_image175

-0,00260

-0,00263

Деформация растянутой арматуры

es

0,00509

0,00503

Деформация композита

ef

0

0,00584

Напряжение верхнего волокна бетона

sr

-14,3

-14,5

МПа

Напряжение сжатой арматуры

clip_image177

-355

-355

МПа

Напряжение растянутой арматуры

ss

355

355

МПа

Напряжение композита

sf

701

МПа

Как следует из результатов расчета по деформационной модели, прочность сечения обеспечена:

Mult = 658 кНм > 650 кНм

Расхождение с расчетом по разрушающим усилиям составляет:

clip_image179


Пример 4.

Рассчитать балку из примера 2 по деформационной модели.

Расчет:

Основные параметры модели приведены в таблице 3*. Результаты расчета приведены в таблице 4*.

Таблица 3*

Параметры деформационной модели

Бетон

Модуль упругости

Еb

32609

МПа

Призменная прочность

Rbn

17,1

МПа

Деформация 1ой базовой точки

eb1

0,00031

Деформация при напряжениях, равных Rbn

eb0

0,00200

Предельная деформация сжатия

eb2

0,00340

Прочность на растяжение при изгибе

Rbtn

1,16

МПа

Деформация 1ой базовой точки

ebt1

0,00002

Деформация при напряжениях, равных Rbtn

ebt0

0,00010

Предельная деформация растяжения

ebt2

0,00017

Стержневая арматура

Деформация текучести

es0

0,00178

Предельная деформация растяжения

es2

0,01775

Предельная относительная высота сжатой зоны

xR

0,542

Исходный процент армирования

mисх

1,57

%

Внешняя арматура

Площадь сечения

Аf

350,0

мм2

Предельная относительная высота сжатой зоны

xRf

0,337

Конечный процент армирования

mусил

2,11

Предельная деформация растяжения

eft

0,0141

МПа

Расчетная прочность

Rfu

1071

Расчетная деформация

efu

0,0063

Таблица 4*

Результаты расчета по деформационной модели

Сечение

До усиления

После усиления

Число шагов

N

649

817

Глубина нейтральной оси

x

1807

700,0

мм

Относительная высота сжатой зоны

x

0,278

0,397

Момент трещинообразования

Мcr

78,0

83,0

кНм

Момент текучести стали

My

600,00

661

кНм

Предельный изгибающий момент

Mult

649,00

817,0

кНм

Предельная кривизна

r

19

15

10-6 мм

Деформация верхнего волокна бетона

еb

-0,00343

-0,00342

Деформация сжатой арматуры

clip_image181

-0,00287

-0,00305

Деформация растянутой арматуры

es

0,00890

0,00519

Деформация композита

ef

0

0,00585

Напряжение верхнего волокна бетона

sR

-17,1

-17,1

МПа

Напряжение сжатой арматуры

clip_image183

-355

-355

МПа

Напряжение растянутой арматуры

ss

355

355

МПа

Напряжение композита

sf

995

МПа

Как следует из результатов расчета по деформационной модели, прочность сечения обеспечена:

Mult = 817 кНм > 750 кНм.

Расхождение с расчетом по разрушающим усилиям составляет:

clip_image185

4.2. Расчет прочности сечений, наклонных к продольной оси изгибаемого элемента

Системы ФАП также могут быть использованы для усиления наклонных к продольной оси сечений. Усиление достигается наклеиванием ФАП в поперечном направлении к оси элемента или перпендикулярно потенциальным трещинам в опорном сечении.

На рис. 4.4 приведены основные схемы наклейки, используемые при усилении наклонных сечений. Для балок в основном используется наклейка ФАП с трех или двух сторон элемента.

4.2.1. Номинальная прочность наклонных сечений элемента, усиленного системой ФАП, должна превышать требуемую прочность. В общем виде условие прочности наклонных сечений элемента, усиленного ФАП записывается так:

Qult = Qb + Qsw + yfQf (4.48)

yf - коэффициент запаса, зависящий от схемы наклейки ФАП.

clip_image186

Рис. 4.4. Схемы наклейки ФАП при усилении наклонных сечений

 

Таблица 4.1

Коэффициент запаса, зависящий от схемы наклейки ФАП

yf=0,95

Полностью обернутые элементы

yf=0,85

Трехсторонние U-образные хомуты или приклеенные к наружной поверхности слои

Рисунок 4.5 иллюстрирует параметры, которые используются для вычисления прочности наклонных сечений с учетом ФАП. Вклад системы ФАП в увеличение прочности на сдвиг элемента основан на работе соответствующего направления фибры по отношению к предполагаемой траектории трещины.

clip_image187

Рис. 4.5 Размещение ФАП хомутов для усиления наклонных сечений

4.2.2. После подбора сечения усиляющей накладки (по разделу 4.1) необходима проверка обеспечения несущей способности сечений:

- наклонных к продольной оси элемента на действие поперечной силы по наклонной полосе между наклонными трещинами,

- на действие поперечной силы по наклонной трещине,

- на действие изгибающего момента по наклонной трещине.

4.2.3. Расчет изгибаемых железобетонных элементов по бетонной полосе между наклонными сечениями производят по выражению {6.65 [4]}:

Q £ jb1Rbbh0 (4.49)

4.2.4. Расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям на действие поперечных сил осуществляется по {п. 6.2.34 [4]} с учетом следующих дополнений.

Общее условие прочности:

Q £ Qult. (4.50)

Поперечная сила, воспринимаемая бетоном в наклонном сечении Qb, определяется по {п. 6.67 [4]}:

clip_image189 (4.51)

clip_image191 (4.52)

Усилие Qsw, воспринимаемое поперечной стальной арматурой, нормальной к продольной оси элемента определяется по выражению {6.68 [4]}:

Qsw = 0,75qswc, (4.53)

где clip_image193

Усилие Qf, воспринимаемое хомутами из ФАП, определяется из выражения:

clip_image195 (4.54)

где Af,sh = 2ntfwf. (4.55)

Растягивающие напряжения в арматуре ФАП в предельном состоянии прямо пропорциональны достигнутому уровню деформации:

sfu = efeEf. (4.56)

В зависимости от схемы наклейки поперечных хомутов вводятся ограничения на величину деформаций ФАП.

Для железобетонных колонн и балок, обернутых системой ФАП вкруговую, может наблюдаться потеря сцепления с бетоном при деформации в ФАП меньше предельной. Для предупреждения этого типа разрушения необходимо ограничить используемую при проектировании максимальную деформацию до 0,4%:

efe = 0,004 £ 0,75eft. (4.57)

Для системы ФАП, не охватывающей все сечение (двух и трехсторонние хомуты) расчетная деформация вычисляется с использованием коэффициента запаса по сцеплению kv:

efe = kveft £ 0,004. (4.58)

Коэффициент запаса по сцеплению является функцией от прочности бетона, типа схемы наклейки и жесткости ФАП. Этот коэффициент можно вычислить с помощью выражений (4.59) - (4.62):

clip_image197 (4.59)

Параметр Lf определяется из выражения (4.60):

clip_image199 (4.60)

Коэффициенты k1 и k2, учитывающие прочность бетона и тип схемы наклейки определяются из выражений:

clip_image201 (4.61)

clip_image203 - для U-образных хомутов,

(4.62)

а clip_image205 - для двухсторонних.

4.2.5. Расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям на действие моментов производят из условия:

M £ Ms + Msw + Mf, (4.63)

где: Ms и Мsw - определяются по {п. 6.2.35 [4]}:

Ms = Ns zs, (4.64)

Msw = 0,5Qswc, (4.65)

Mf = 0,5Qfc. (4.66)

В связи с расположением хомутов ФАП в зоне анкеровки ФАП продольного направления, усилия в последнем в расчетах не учитываются.


Примеры расчета

Пример 5. Дано, свободно опертая балка перекрытия с размерами сечения:

b = 200 мм, h = 400 мм, h0 = 370 мм; бетон тяжелый класса В25 (Rbt = 1,05 МПа); хомуты двухветвевые диаметром 8 мм (Asw = 101 мм2) с шагом sw= 150 мм; арматура класса А240 (Rsw = 170 МПа); временная эквивалентная по моменту нагрузка qv = 36 кН/м, постоянная нагрузка qg = 20 кН/м; поперечная сила на опоре Qmax= 154 кН.

Требуется проверить прочность наклонных сечений и при необходимости запроектировать усиление из углепластика холодного отверждения. Углепластик изготавливается из волокон со следующими нормативными характеристиками: прочность Rf = 4800 МПа, Ef = 230000 МПа, толщина монослоя tf = 0,167 мм.

Расчет:

Прочность наклонных сечений проверяем согласно {п 3.31 [7]}. По выражению {(3.48) [7]} определим интенсивность хомутов:

clip_image207Н/мм

Поскольку clip_image209 т.е. условие {(3.49) [7]} выполняется, хомуты учитываем полностью и значение Мb определяем по выражению {(3.46) [7]}:

clip_image211 Нмм

Согласно {п. 3.32 [7]} определяем длину проекции невыгоднейшего наклонного сечения:

q1 = qg + 0,5qv = 20 + 0,5 × 36 = 38 кН/м (Н/мм);

clip_image213

следовательно значение с принимаем равным 1065 мм > 2h0 = 740 мм

Тогда с0 = 2h0 = 740 мм и Qsw = 0,75 × 114,5 × 740 = 63548 кH = 63,6 кH;

clip_image215

Q = Qmax - q1c = 154 - 38 × 1,017 = 115,4 кH;

Qb + Qsw = 42,4 + 63,6 = 106 кН < Q = 115,4 кН,

т.е. прочность наклонных сечений не обеспечена.

Расчет усиления:

Принимаем трехсторонние U-образные хомуты из однонаправленной углеродной ткани в один слой, наклеиваемые перпендикулярно продольной оси балки (a=90°).

По результатам испытаний слоистых образцов ткани из заданного волокна с объемным содержанием 60% по ГОСТ 25.601-80 получены следующие нормативные характеристики ФАП:

предел прочности при растяжении: Rf = 2400 МПа,

относительное удлинение при разрыве: d = 2,09 %,

модуль упругости: Ef = 115000 МПа.

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п.п. 3.9) gf = 1,1.

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) се = 0,9;

Расчетная прочность (3.1)

clip_image217 МПа = 1964 МПа;

Тогда расчетная деформация растяжения (3.2)

clip_image219

Расчетный модуль упругости Еft = Еf = 115000 МПа

n = 1; wf = 100 мм;

Af,sh = 2ntfwf = 2 × 1 × 0,167 × 100 = 33,4 мм2

Из таблицы (4.1) коэффициент запаса по схеме наклейки yf = 0,85

Полагая, что хомуты приклеиваются по всей высоте стенки балки,

df = h0 = 370 мм.

Из выражения (4.60) эффективная длина анкеровки:

clip_image221мм.

Коэффициент k1 находится из выражения (4.61):

clip_image223

Коэффициент k2 находится из выражения (4.62):

clip_image225

Коэффициент запаса по сцеплению kv вычисляется по выражению (4.59):

clip_image227

Предельная расчетная деформация по выражению (4.58)

eft = kveft = 0,196 × 0,0171 = 0,00335;

Тогда расчетное напряжение

sfu = efeEf = 0,00335 × 115000 = 385 МПа.

Поперечная сила, воспринимаемая хомутами из углеткани:

clip_image229кН

Тогда общая поперечная сила:

Q = Qb + Qsw Qf = 42,4+63,6+26,7=132,7 кН > 115,4 кН.

Прочность сечения обеспечена.


Пример 6. Дано: свободно опертая балка пролётом 5,5 м с равномерно распределенной нагрузкой q = 38 кН/м, конструкция приопорного участка балки по черт. 1; бетон класса В15 (Rb=8,5 МПа); продольная арматура без анкеров класса А400 (Rs=355 МПа) площадью сечения Аs = 982 мм2 (2Æ25); хомуты из арматуры класса А240 (Rsw = 170 МПа) диаметром 8 мм (Аsw= 101 мм2) с шагом sw= 150 мм приварены к продольным стержням.

Требуется проверить прочность наклонных сечений на действие момента и при необходимости запроектировать усиление из углепластика холодного отверждения со следующими характеристиками: нормативная прочность Rf = 1400 МПа, Ef = 120000 МПа, толщина монослоя tf = 0,175 мм.

Расчет:

h0 = h - a = 400 - 40 = 360 мм

Поскольку растянутая арматура не имеет анкеров, расчет наклонных сечений на действие момента необходим. Определим усилие в растянутой арматуре по выражению {(3.73) [4]}. Принимаем начало наклонного сечения у грани опоры. Отсюда

ls = lsup - 10 мм = 280 - 10 = 210 мм (см. рис. 4.6).

Опорная реакция балки равна:

clip_image231кН

Площадь опирания балки

Asup = blsup = 200 × 280 = 56000 мм2,

следовательно

clip_image233МПа

clip_image235.

Поэтому a = 1. Из табл. {3.3 [7]} при классе бетона В15, классе арматуры А400 и a=1 находим lan = 47. Тогда, длина анкеровки равна

lan = lands = 47 × 25 = 1175 мм

clip_image237 кН.

Поскольку к растянутым стержням в пределах длины ls приварены 4 вертикальных и 2 горизонтальных поперечных стержня (см. рис. 4.6), увеличим усилия Ns на величину Nw.

Принимая dw = 8 мм, nw = 6, jw = 150 (см. {табл. 3.4 [7]}) получаем:

clip_image239кН;

Ns = 80,1 + 30,24 = 110,34 кН.

Определяем максимально допустимое значение Ns. Из. табл. {3.3 [7]} при a = 0,7 находим lап= 33, тогда

clip_image241кН > Ns,

т.е. оставляем Ns = 110,3 кH.

Определим плечо внутренней пары сил:

clip_image243360 - 35 = 325 мм.

Тогда момент, воспринимаемый продольной арматурой, равен

Ms = Nszs = 110346 × 327,5 = 36,1 × 106 Нмм.

По выражению {(3.48) [4]} вычислим величину qsw:

clip_image207[1]Нмм.

Определяем длину проекции невыгоднейшего наклонного сечения по выражению {(3.76) [7]}, принимая значение Qmax равным опорной реакции балки, т.е. Qmax = Fsup= 104,5 кН.

clip_image246

Тогда момент, воспринимаемый поперечной арматурой, равен

clip_image248Нмм.

Момент в наклонном сечении определяем как момент в нормальном сечении, расположенном в конце наклонного сечения, т.е. на расстоянии от точки приложения опорной реакции, равной

x = lsup/3 + c = 280/3 + 685 = 778 мм.

clip_image250Нмм = 69,8 кНм.

Проверяем условие {(3.69) [7]}

Мs + Мsw = 36,1 + 26,9 = 63 кНм < М = 69,8 кНм.

Прочность сечения не обеспечена.

Расчет усиления:

Принимаем трехсторонние U-образные хомуты из однонаправленной углеродной ткани в один слой, наклеиваемые перпендикулярно продольной оси балки (a=90°) с шагом sf = 150 мм.

п = 1; wf = 100 мм;

Af,sh = 2ntfwf = 2 × 1 × 0,175 × 100 = 35 мм2.

Предельная деформация растяжения

clip_image252

Коэффициент надёжности по материалу для расчета по предельным состояниям первой группы (п. 3.9) gf = 1,1.

Коэффициент условий работы (табл. 3.1) се = 0,9.

Расчетная прочность (3.1)

clip_image254МПа = 1145 МПа.

Тогда расчетная деформация растяжения (3.2)

clip_image256

Из таблицы (4.1) коэффициент запаса по схеме наклейки yf = 0,85.

Полагая, что хомуты приклеиваются по всей высоте стенки балки,

df = h0 = 360 мм.

Из выражения (4.60) эффективная длина анкеровки:

clip_image258мм.

Коэффициент k1 находится из выражения (4.61):

clip_image260

Коэффициент k2 находится из выражения (4.62):

clip_image262

Коэффициент запаса по сцеплению kv вычисляется по выражению (4.59):

clip_image264

Предельная расчетная деформация по выражению (4.58):

efe = kveft = 0,236 × 0,00957 = 0,00226 < 0,004.

Тогда расчетное напряжение

sfu = efeEf = 0,00226 × 120000 = 271 МПа.

Поперечная сила, воспринимаемая хомутами из углеткани:

clip_image266кН.

Изгибающий момент, воспринимаемый хомутами ФАП определяется по выражению (4.66):

Mf = 0,5Qfc = 0,5 × 19,3 × 0,778 = 7,5 кНм.

Суммарный изгибающий момент:

M = Ms+Msw+Mf= 36,1 + 26,9 + 7,5 = 70,5 кН > 69,8 кН

Прочность сечения обеспечена.

clip_image267

Рис. 4.6 К примеру расчета 6


4.3. Расчет сжатых и внецентренно сжатых элементов

Композитные материалы, армированные стеклотканью, углеродными или арамидными волокнами, могут применяться на внешних поверхностях для восстановления утерянной несущей способности колонн в случае потери части сечения арматуры вследствие ее коррозии или для повышения несущей способности в случае увеличения действующих нагрузок.

4.3.1. Повышение несущей способности колонн на действие продольной силы может быть обеспечено наклейкой композита в продольном или поперечном направлении.

а) Усиление наклейкой композита в продольном направлении

Для определения необходимой площади композита следует определить по СНиП 2.03.01-84* недостающую площадь продольной арматуры As,def. Требуемая площадь композита составляет:

clip_image269 (4.67)

б) Усиление наклейкой в поперечном направлении

Прямоугольные сечения колонн с соотношением сторон clip_image271 могут быть усилены для повышения несущей способности при осевом сжатии путем создания эффекта обоймы композитным материалом в направлении перпендикулярном оси элемента.

Необходимая толщина оболочки из композиционного материала определяется из выражения:

clip_image273 (4.68)

где: clip_image275 (4.69)

clip_image277, ebu = 0,003 максимальная деформация бетона при сжатии, Rf - максимальная прочность на растяжение композита, efu - максимальная деформация при растяжении композита.

При проектировании должно соблюдаться условие:

Efef £ 0,75Rf. (4.70)

Несущая способность усиленной колонны проверяется по формуле:

clip_image279 (4.71)

где: Rl = 0,0038K1Rf, (4.72)

clip_image281 (4.73)

4.3.2. Круговое обертывание ФАП вокруг определенных типов элементов, работающих на сжатие, создает ограничение деформированию в поперечном направлении путем создания обоймы с ориентацией волокон в поперечном направлении и приводит к увеличению прочности при сжатии. При увеличении сжимающих нагрузок обойма испытывает растяжение, сдерживая развитие поперечных деформаций. Вклад продольно расположенных волокон на прочность при сжатии бетонного элемента игнорируется. Для надежной работы обоймы необходим ее плотный контакт с элементом; величина сцепления с бетоном здесь решающего влияния не оказывает.

4.3.3. Сжимающие напряжения, воспринимаемые сплошным сечением бетона, ограниченного обоймой ФАП, могут быть вычислены с использованием выражений (4.74) - (4.75) и применением коэффициентов запаса прочности yf.

Для ненапряженных железобетонных элементов, имеющих стальную спиральную арматуру:

clip_image283, (4.74)

а для ненапряженных элементов со стальной поперечной арматурой:

clip_image285, (4.75)

где yf - коэффициент запаса, равный 0,95.

4.3.4. Прочность на сжатие круглого бетонного элемента с напряжением в обойме sf можно вычислить с помощью выражения (4.76)

clip_image287 (4.76)

Выражение (4.76) раньше использовалось в расчетах эффективности стальной обоймы. Исследования показали, что это выражение также применимо для бетонных элементов с обоймами из ФАП. Прочность бетона в обойме можно вычислить с помощью выражения (4.76). Максимальные расчетные напряжения в обойме определяются выражением (4.77):

clip_image289 (4.77)

Если элемент испытывает деформации сжатия и сдвига, расчетная деформация в обойме ФАП должна быть ограничена в соответствии с (4.78):

efe = 0,004 £ 0,75efu. (4.78)

4.3.5. Обойма ФАП наиболее эффективна для круглых поперечных сечений. Ограничивающее давление, обеспечиваемое обоймой ФАП, наклеенной по окружности радиусом r можно вычислить, используя выражение (4.79):

clip_image291 (4.79)

Испытания показали, что обойма ФАП в квадратных и прямоугольных элементах также может обеспечить увеличение прочности на сжатие элемента. Коэффициент эффективности ka для круглых поперечных сечений можно принять равным единице, а для квадратных или прямоугольных сечений - по выражению (4.82).

При использовании обойм из ФАП увеличивается общая пластичность сечения из-за способности развивать при сжатии более высокую деформацию до разрушения. Обойма ФАП может также отсрочить искривление стальной продольной арматуры, работающей на сжатие, и усилить место нахлесточного соединения стальной продольной арматуры.

4.3.6. Обоймы ФАП также используются для повышения сейсмостойкости колонн, опор мостов и т.п. Они рассчитываются на восприятие ограничивающего напряжения, достаточного для развития деформации сжатия при заданных смещениях. Максимально используемая деформация сжатия бетона для ограниченных обоймой ФАП круговых железобетонных элементов вычисляется по выражению (4.80):

clip_image293 (4.80)

Максимальная расчетная деформация сжатия для круглых, квадратных и прямоугольных поперечных сечений с обоймой ФАП вычисляется с помощью уравнения (4.80) и используя kа = 1. Коэффициент армирования ФАП прямоугольных сечений rf вычисляется из выражения (4.81):

clip_image295 (4.81)

Коэффициент эффективности усиления для квадратных и прямоугольных сечений определяется на основе размеров поперечного сечения и степени армирования стержневой арматурой (4.82) - рис. 4.7:

clip_image297 (4.82)

clip_image298

Рис. 4.7. Активные зоны при усилении прямоугольных сечений колонн

Следует учитывать, что для прямоугольных сечений с соотношением высоты к ширине, превышающим 1,5, или размерами поперечного сечения b или h, превышающими 900 мм, ограничивающим воздействием обоймы ФАП следует пренебрегать, если испытания не покажут ее эффективность.


4.4. Осевое растяжение

Системы ФАП можно использовать для обеспечения дополнительной прочности на растяжение железобетонного элемента. Благодаря линейно-упругой работе материалов ФАП, вклад ее в увеличении прочности на растяжение линейно связан с уровнем деформации и вычисляется согласно закона Гука.

Уровень растяжения, обеспечиваемый ФАП, ограничивается расчетной прочностью ФАП и способностью передавать напряжение подложке через адгезив. Расчетная деформация ФАП определяется на основе критерия, данного для усиления на сдвиг в выражениях (4.57) - (4.62). Значение k1 в выражении (4.61) можно принять равным 1,0. Для достижения этого уровня деформации должна обеспечиваться минимальная длина сцепления 2Lе (где Le - это активная длина сцепления, определенная ранее в выражении (4.60)).


5. РАСЧЕТ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ ВТОРОЙ ГРУППЫ

5.1. Расчет по образованию трещин

5.1.1. Расчет по образованию трещин для усиленных арматурой ФАП элементов следует проводить в соответствии с общими указаниями {п.п. 7.2.1-7.2.11 [4]} с некоторыми изменениями, указанными ниже.

5.1.2. Момент инерции приведенного сечения {п. 7.2.9 [4]} рассчитывается с учетом внешней арматуры ФАП:

clip_image300 (5.1)

Ared - площадь приведенного поперечного сечения элемента, определяемая по формуле

clip_image302 (5.2)

clip_image304 (5.3)

5.1.3. При определении момента образования трещин на основе нелинейной деформационной модели, приведённой в разделе 4.1 настоящих рекомендаций, нужно учитывать работу бетона в растянутой зоне нормального сечения.


5.2. Расчет по раскрытию трещин

5.2.1. Расчет по раскрытию трещин для усиленных арматурой ФАП элементов следует проводить в соответствии с указаниями {п.п. 7.2.12 - 7.2.15 [4]} с некоторыми изменениями, указанными ниже.

5.2.2. Значение коэффициента приведения арматуры ФАП к бетону af1 определяют по формуле

clip_image306 (5.4)

Момент инерции приведенного поперечного сечения элемента Ired относительно его центра тяжести {п. 7.2.13 [4]} определяют с учетом площади сечения бетона сжатой зоны, площади сечения сжатой и растянутой стальной арматуры с коэффициентом приведения арматуры к бетону as1 и арматуры ФАП с коэффициентом приведения арматуры к бетону af1

clip_image308 (5.5)

5.2.3. По данным некоторых исследований наличие внешней арматуры ФАП приводит к уменьшению расстояний между трещинами, однако имеющихся к настоящему времени данных недостаточно для количественной оценки этого влияния.


5.3. Расчет по деформациям

Расчет усиленных арматурой ФАП элементов по деформациям следует проводить в соответствии с общими указаниями {п. 7.3 [4]}.

Определение кривизны сечения на участках без трещин в растянутой зоне

5.3.1. Момент инерции приведенного поперечного сечения элемента Ired относительно его центра тяжести {п. 7.3.10 [4]} определяют с учетом площади сечения бетона сжатой зоны, площади сечения сжатой и растянутой стальной арматуры с коэффициентом приведения арматуры к бетону a и арматуры ФАП с коэффициентом приведения арматуры к бетону clip_image310

clip_image312 (5.6)

5.3.2. При использовании нелинейной деформационной модели полную кривизну сечения на участках без трещин в растянутой зоне усиленного сечения определяют по выражению {(7.28) [4]}. Значения кривизны, входящие в выражение {(7.28) [4]} определяют согласно п. 4.1.34 настоящих рекомендаций.

Определение кривизны сечения на участках с трещинами в растянутой зоне

5.3.3. Полную кривизну на участках с трещинами в растянутой зоне усиленного сечения рекомендуется определять с помощью нелинейной деформационной модели по выражению {(7.29) [4]}. Значения кривизны, входящие в выражение {(7.29) [4]} определяют согласно п. 4.1.34 настоящих рекомендаций.

Определение прогибов

Расчет усиленных арматурой ФАП элементов по прогибам следует проводить в соответствии с {п.п. 7.3.1 - 7.3.6 [4]}, принимая значения кривизны элементов, полученных расчетом в соответствии с п.п. 5.3.1 - 5.3.3 настоящего руководства.


6. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ

Система усиления ФАП включает в себя:

- грунтовки бетонных поверхностей;

- шпаклевочные составы;

- адгезивы;

- одно или двунаправленные ткани или ламинаты.

В отдельных случаях могут также использоваться защитные и противопожарные покрытия.

Грунтовки наносят на всю оклеиваемую поверхность для пропитки бетонного основания и обеспечения необходимого сцепления адгезива и пропитывающего ткань состава с бетонной поверхностью.

Шпаклевочные составы применяют для заполнения каверн и выравнивания поверхности.

Адгезивы - составы для пропитки и наклейки тканей и ламинатов на поверхность конструкции.

Как правило, для системы ФАП применяются эпоксидные, полиэфирные или винил-эфирные смолы (наиболее универсальными являются эпоксидные смолы).

Эти смолы должны обеспечивать достаточное сцепление (адгезию) с бетоном и с используемыми для усиления тканями или ламинатами.

Они должны быть долговечными, в т.ч. стойкими к воздействию влажности, экстремальных температур, различных агрессивных сред, соленой воды.

Смолы должны хорошо пропитывать используемые ткани.


6.1. Принципиальные схемы усиления основных типов конструкций

6.1.1. Усиление сжатых и внецентренно сжатых конструкций (колонны, простенки) осуществляется путем устройства вокруг сечения элементов бандажей с направлением волокон перпендикулярно продольной оси усиливаемой конструкции. Бандажи устанавливаются по всей высоте конструкции (рис. 6.1).

clip_image313

Рис. 6.1. Принципиальная схема усиления колонны

6.1.2. Усиление изгибаемых балочных конструкций осуществляется наклейкой ФАП на нижнюю поверхность ребра с направлением волокон вдоль оси усиляемой конструкции и вертикальных, либо наклонных хомутов в приопорной зоне с направлением волокон перпендикулярно продольной оси (Рис. 6.2).

clip_image314

Рис. 6.2. Принципиальная схема усиления балки

6.1.3. Усиление плитных конструкций осуществляется наклейкой на нижнюю поверхность накладок ФАП с направлением волокон вдоль оси конструкции и поверх них поперечных накладок с направлением волокон перпендикулярно продольных накладок (Рис. 6.3).


6.2. Подготовка основания под наклейку

6.2.1. Под основанием подразумевается поверхность бетона, на которую производится наклейка усиливающего элемента - ламината или ткани.

Основание должно отвечать определенным геометрическим, механическим и физико-химическим критериям.

До наклеивания усиляющих элементов (лент, ткани, ламинатов) поверхность основания должна быть выровнена, а локальные геометрические дефекты устранены.

6.2.2. На поверхность основания мелом наносятся линии разметки в соответствии с принятой проектом схемой наклейки элементов усиления.

6.2.3. Поверхность бетона должна быть очищена от краски, масла, жирных пятен, цементной пленки.

clip_image315

Рис. 6.3. Принципиальная схема усиления плит

Очистка поверхности осуществляется путем пескоструйной обработки или обработки металлическими щетками с последующей высоконапорной промывкой водой (под давлением не менее 100 атм.).

6.2.4. Для лучшего сцепления адгезива с бетоном, поверхность основания должна быть шероховатой. Это достигается обработкой поверхности бетона каменотесным долотом с последующей зачисткой металлической щеткой. Обработке должен подвергаться только поверхностный слой до обнажения на поверхности крупного заполнителя.

6.2.5. После очистки поверхность бетона обрабатывается грунтовочным составом с целью упрочнения основания и улучшения сцепления адгезива с бетонной поверхностью.

6.2.6. Неплоскостность поверхности должна быть меньше 5 мм на базе 2 м или 1 мм на базе 0,3 м. Мелкие дефекты (сколы, раковины, каверны) не должны быть глубже 5 мм и площадью не более 25 см2. Такие дефекты должны быть устранены с помощью полимерцементных ремонтных смесей с быстрым набором прочности. Выравнивание значительных (более 25 см2) участков поверхности производится с использованием полимерцементных ремонтных составов с наполнителем в виде песка и мелкого щебня.

6.2.7. В случае разрушения (отслоения) защитного слоя бетона в результате коррозии арматуры следует удалить его, очистить обнаженную арматуру от продуктов коррозии, обработать ее преобразователем ржавчины и после этого восстановить защитный слой специальными ремонтными составами.

6.2.8. Прочность основания является решающим фактором для тех случаев усиления, когда сцепление имеет определяющее значение, например, при усилении на изгиб или срез (поперечное армирование). В этих случаях прочность основания на сжатие должна быть не менее 15 МПа. Указанное значение минимальной прочности не относится к тем задачам, когда определяющим является контактная связь, например, при усилении колонн путем обертывания их усиляющей лентой. В этом случае минимальное значение прочности на сжатие бетона может быть равным 10,0 МПа.

6.2.9 При оборачивании конструкций в поперечном направлении лентой, на наружных углах конструкции необходимо выполнить фаски с катетом 1-2 см, либо скругления с радиусом 1-2 см, а на внутренних углах ремонтными смесями выполнить галтель радиусом не менее 20 см (Рис. 6.4).

6.2.10. Трещины с раскрытием более 0,3 мм должны быть отремонтированы низковязкими эпоксидными или полиуретановыми составами, трещины с меньшим раскрытием могут быть затерты полимерцементным раствором.

clip_image316

Рис. 6.4 Подготовка углов конструкции перед наклейкой углеродной ткани


6.3. Раскрой ленты или ламината

6.3.1. Раскрой ленты или ламината производится в соответствии с принятой проектом схемой наклейки и осуществляется на гладком столе (верстаке), покрытом полиэтиленовой пленкой. При использовании ленты стол должен быть снабжен приспособлением для разматывания ленты с бобины. Для резки ленты следует использовать ножницы или острый нож, для резки ламината - специальные отрезные диски.

6.3.2. Заготовки лент каждого размера нарезаются в требуемом количестве; ленты сматываются в рулон, снабжаются этикеткой с указанием номера, размера и количества заготовок и помещаются в мешок.

6.4. Приготовление адгезива

6.4.1. При приготовлении адгезива компоненты смешиваются в соотношении, рекомендованном инструкцией поставщика. Количество приготавливаемого адгезива в одной порции не должно превышать технологические возможности его использования в течение времени жизнеспособности..

6.4.2. Приготовление адгезива производится в чистой металлической, фарфоровой, стеклянной или полиэтиленовой емкости объемом не менее 3-х литров.

6.4.3 Дозирование компонентов А и Б осуществляется взвешиванием каждого компонента отдельно, также допускается объемное их дозирование.

6.4.4. В емкость для приготовления адгезива выливается дозированное количество компонентов. Компоненты тщательно перемешивают вручную деревянной или алюминиевой лопаткой, либо с помощью низкооборотной дрели с насадкой при оборотах до 500 в минуту (с целью ограничения аэрации смеси). Емкость с приготовленным адгезивом закрывают крышкой, снабжают этикеткой и передают к месту производства работ.

6.5. Наклейка лент (ткани)

6.5.1. Первый слой адгезива наносят на основание из расчета 0,7¸1,0 кг/м2 с помощью шпателя, кисти, валика с коротким ворсом.

Перед нанесением на бетонное основание слоя адгезива поверхность должна быть продута сжатым воздухом.

6.5.2. Ткань (лента) должна всегда укладываться на слой адгезива. Делается это тыльной стороной руки путем постепенного размещения ткани с одного края основания до другого. В процессе укладки необходимо следить, чтобы кромка полотнища была параллельна линии разметки на основании, либо кромке предыдущего полотнища. Лента может быть предварительно нарезана на отрезки проектной длины (заготовками), либо постепенно разматываться с бобины и обрезаться по месту в процессе наклейки.

Ткань (лента) должна укладываться без складок и без излишнего натяжения. После укладки осуществляется прикатка ткани (ленты), в процессе которой происходит ее пропитка. Пропитка осуществляется с помощью жесткого резинового валика или шпателя от центра к краям строго в продольном направлении (вдоль волокон). После пропитывания ткань должна быть слегка липкой на ощупь, но без явно видимого присутствия адгезива.

6.5.3. Перед укладкой второго слоя ткани (при многослойной конструкции усиления) на прикатанную ленту наносится слой адгезива из расчета 0,5¸0,6 кг/м2. Укладка и прикатка второго и последующих слоев производится аналогичным образом.

6.5.4. После укладки последнего слоя ленты на поверхность ленты наносится финишный слой адгезива из расчета 0,5 кг/м2.

6.5.5. При многослойной конструкции усиливающего элемента наклейку всех слоев ткани (ленты) предпочтительно выполнить в течение одной рабочей смены с последующим отверждением всего сечения. В случае, если указанное не возможно по условиям производства работ (например, усиление пространственных конструкций с разным направлением лент по слоям), следует выполнить наклейку одного слоя по всей площади усиления, дождаться отверждения его, после чего таким же образом наклеить 2-ой и последующие слои.

6.5.6. По специфике производства работ можно выделить:

- наклейку на горизонтальные поверхности сверху;

- наклейку на горизонтальные поверхности снизу (на поверхность плит, балок, потолка);

- наклейку на вертикальные поверхности (стен, колонн и др.).

6.5.7. При наклейке на горизонтальные поверхности сверху лента постепенно укладывается без натяжения от центра к краям, разглаживается руками (в резиновых перчатках) и прикатывается валиком или шпателем. Укладка осуществляется двумя рабочими (Рис. 6.5). Укладка каждого последующего слоя может начинаться сразу же после завершения прикатки предыдущего слоя. Технологических ограничений по количеству укладываемых слоев нет.

6.5.8. При наклейке на горизонтальные поверхности снизу (потолок) лента прижимается (фиксируется) с одного конца и затем постепенно разглаживается и фиксируется по всей длине (Рис. 6.6). В зависимости от вязкости адгезива (определяемой в значительной мере температурой окружающей среды), наклейка ленты производится непосредственно вслед за нанесением адгезива, либо после некоторой выдержки, за время которой вязкость адгезива возрастает и обеспечивается фиксация ленты на потолочной поверхности (лента не отваливается после прикатки).

clip_image318

Рис. 6.5 Схема наклейки на горизонтальную поверхность сверху (пол)

Время выдержки определяется экспериментально. Продолжительность выдержки перед наклейкой каждого последующего слоя определяется аналогичным образом. Прикатка (прижатие) ленты осуществляется от центра к краям с целью предотвращения образования складок. Как правило, наклейка лент на потолочную поверхность осуществляется как минимум двумя рабочими.

6.5.9. При длине усиливающих элементов более 3-х метров, в целях облегчения процесса укладки, ленту можно наклеивать отдельными полосами, которые необходимо стыковать между собой внахлест по длине. При этом длина нахлеста должна составлять не менее 100 мм. Наклейка внахлест может осуществляться как на влажный слой адгезива, так и на уже отвердевший. В последнем случае зона покрытия должна быть обработана наждачной бумагой и протерта смоченной ацетоном ветошью.

Стыковка осуществляется всегда вдоль ленты, по направлению расположения волокон.

6.5.10. Стыковка многослойной конструкции усиления должна осуществляться в разбежку по длине (в разных сечениях).

clip_image320

Рис. 6.6 Схема наклейки на горизонтальную поверхность снизу (потолок)

6.5.11. Ленту не желательно разрезать в продольном направлении, поскольку она распускается на отдельные пряди. При необходимости резки в продольном направлении (вдоль волокон) лента по линии разрезки должна быть предварительно обработана клеем БФ, предотвращающим распускание волокон в поперечном направлении.

6.5.12. При выполнении усиления на вертикальных поверхностях нанесение адгезива на основание производится сверху вниз. Наклейка вертикальных накладок осуществляется путем фиксации (прижатия) ленты в верхней части и постепенной укладки и разглаживания по высоте с последующей прикаткой (Рис. 6.7). Наклейка горизонтальных полос на вертикальные поверхности производится путем фиксации ленты в крайнем (левом или правом) положении с последующей укладкой, разглаживанием и прикаткой по длине. Прикатка производится от середины к краям. Время выдержки перед наклейкой каждого последующего слоя определяется опытным путем, обеспечивая отсутствие оползания ленты и нарушения ее фиксации. При многослойном элементе усиления на вертикальных поверхностях в горизонтальном и вертикальном направлениях ("сетка") производится последовательная послойная наклейка в 2-х направлениях.

6.5.13. Производство работ по устройству усиливающих накладок в значительной мере зависит от температуры и относительной влажности окружающей среды, температуры поверхности бетона и его влажности, соотношения температуры поверхности бетона и точки росы. Операции по наклейке лент могут выполняться при температуре окружающей среды в диапазоне +5°С ¸ +45°С; при этом температура основания бетона должна быть не ниже 5°С и выше температуры точки росы на 3°С. Если температура поверхности бетона ниже допустимого уровня, может произойти недостаточное насыщение волокон и низкая степень отверждения смолы, что отрицательно скажется на работе системы усиления. Для повышения температуры могут быть использованы дополнительные локальные источники тепла.

6.5.14. Грунтовочные и адгезивные составы нельзя наносить на мокрую поверхность. Открытая влага должна быть удалена, поверхность бетона вытерта и продута сжатым воздухом. Допустимая влажность поверхности - не более 5%.

6.5.15. Полное отверждение адгезивных составов в естественных условиях происходит в течение нескольких суток и в значительной мере зависит от температуры окружающей среды. Как правило, время отверждения должно составлять не менее 24 часов при температуре выше 20° С и не менее 36 часов при температуре от 5°С до 20° С.

clip_image322

Рис. 6.7 Наклейка на вертикальную поверхность (стена)

6.5.16. Для обеспечения безопасности (пожарной, защиты от вандализма) или по эстетическим соображениям элементы усиления на заключительной стадии работ могут быть дополнены различными покрытиями (полимерцементными, полиуретановыми, специальными огнеупорными составами, совместимыми с используемым адгезивом). Для лучшего сцепления этих покрытий с накладкой поверхность последней в процессе укладки финишного слоя присыпается (чипсуется) тонким слоем сухого песка крупностью 0,5¸1,5 мм.

6.6. Наклейка ламината

6.6.1. Ламинат может быть использован как для внешнего армирования (наклейка на поверхность конструкций), так и для внутреннего (с размещением узких полос ламината в предварительно подготовленных пазах).

При внешнем армировании подготовка поверхности осуществляется так же, как и в случае наклейки ленты или ткани (см. 6.2).

6.6.2. Перед наклейкой мерные заготовки ламината раскладываются на рабочем столе (верстаке) и тщательно протираются смоченной ацетоном ветошью. На протертую поверхность шпателем наносится тонкий (1-1,5 мм) слой адгезива (желательно, чтобы наносимый на ламинат слой адгезива имел бы скаты к краям полос). Аналогичный слой адгезива толщиной 1 мм наносится на предварительно подготовленное и обеспыленное основание. Затем ламинат укладывается на основание (клей к клею) и прикатывается валиком так, чтобы вытеснить избыток адгезива по обеим сторонам наклеиваемой полосы. Избыток адгезива убирается шпателем. В случае если проектом усиления предусматривается накладка из двух или нескольких слоев ламината, производится предварительное склеивание предусмотренного количества слоев на рабочем столе, выдержка в течение срока полимеризации и последующее приклеивание всего пакета к основанию.

6.6.3. Внешняя сторона усиливающего элемента может быть покрыта защитными красками или полимерцементным раствором.

6.6.4. В случае внутреннего армирования ламинат предварительно разрезается на узкие (шириной 10-30 мм) полосы.

В конструкции в соответствии со схемой армирования выполняются пазы шириной 3 мм и глубиной, равной ширине полос плюс 2 мм. Пазы заполняются на 2/3 адгезивом, затем в них погружаются заготовки ламината. Избыток адгезива выдавливается на поверхность и удаляется шпателем.