Усилия сдвига при усилении железобетонных конструкций углепластиками в условиях низких температур

Строительная и промышленная индустрии путем совместного взаимодействия ищут пути решения одновременно нескольких задач: увеличение сроков службы и сохранение эксплуатационных характеристик железобетонных конструкций, а также простота технологического процесса и экономическая целесообразность выбранного метода усиления при проведении капитального ремонта.

Учитывая климатические особенности России и расположение большей части ее территорий в условиях низких, знакопеременных температур целесообразно отдавать предпочтение нетрудоемкому технологическому процессу и стойким к суровому климатическому воздействию материалам при выборе методов усиления.

Современные тенденции в развитии рынка строительных товаров и услуг, а также зарубежный опыт проектирования и строительства, предъявляют исключительно высокие требования к материалам, применяемым для восстановления работы ответственных железобетонных конструкций.

К наиболее перспективным современным материалам с высокими физико-механическими свойствами относятся полимерные композиционные материалы.  Это материалы, матрицей которых является полимер или связующее на его основе [2].

В ка­честве наполнителя в технологии композиционных материалов особенно широкое применение получили углеродные волокна, имеющие весьма широкий диапазон использования - от космической отрасли, судо- и авиастроения, до производства деталей автомобилей [1].

Углепластик — это композиционный многослойный материал, который представляет собой полотно из углеродных волокон покрытое оболочкой из термореактивных полимерных (как правило эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer.

Carbon – это международное наименование углерода, из которого и изготавливаются карбоновые волокна carbon fiber.

Углеродные волокнистые материалы, которые в научной литературе даже на ранних этапах их разработки называ­ли материалами будущего, занимают первое место по масштабам произ­водства среди жаростойких волокон. По механическим показателям, и осо­бенно по их удельным значениям (отношение прочности и модуля Юнга к плотности) углеродные волокна превосходят все остальные композиты [3].

Классификация физико-механических характеристик углеродных волокон представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Классификация углеродных волокон

Для углепластиковых холстов и ламелей, используемых при усиления конструкций, в гражданском строительстве [4] используются более дешевые и широко освоенные при промышленном изготолении карбонизованные, высокопрочные углеродные волокна (табл.1).

Целью исследования являлось изучение существующего опыта и экспериментальное изучение поведения работы клеевого состава, его сцепления с тканевым композиционным материалом на углеродной основе при усилении железобетонной конструкции в условиях воздействия низкой и отрицательной температуры с учетом проведенного теоритического экспериментального исследования в расчетном комплексе Ansys Workbench R1.

 Изучение работы усиленной углепластиком балки на границе сопряжения материалов и контактного слоя поверхности железобетонной конструкции, клеевого состава и тканного материала из углепластика при работе подверженным перепадам температур.

Для изучения выбрана железобетонная конструкция, работающая на изгиб.

Объектом исследования является железобетонная однопролетная балка с двойным армированием [7] из тяжелого бетона, усиленная одним слоем тканевого композиционного материала на углеродной основе и жестко закрепленная в местах опирания.

Рисунок 1. Рабочая схема исследуемой балки

(b = 250 мм., h = 400 мм., a₁ = 30 мм., a₂ = 30 мм.)

Технические и физико-механические характеристики балки при приложении нагрузки рассмотрены до воздействия отрицательной температуры и после ее воздействия. Произведено сравнение полученных результатов.

Для проведения исследования с использованием программного расчетного комплекса Ansys Workbench R1 приняты следующие материалы: углепластиковые ламели - Sika Wrap530C; клей - Sika Dur – 300; тяжелый бетон марки В30 [8].

Рисунок 2.1. Модель усиленной балки

Послойное моделирование: железобетон-клей-углепластик представлены объемными прямоугольными элементами solid с заданной толщиной, а арматура в теле бетона представлена стержневыми элементами.

Рисунок 2.2. Модель балки после приложения нагрузки до замораживания

Приложение равномерно распределенной нагрузки 5000 Н. Представлены поля деформаций, указаны зоны наиболее подверженные разрушениям.

Рисунок 2.3. Температурное воздействие на балку

В модуле Transient Thermal смоделировано временное воздействие отрицательной температуры на балку после приложенной нагрузки: в течении трех часов температура постепенно уменьшается с 0⸰С до минус 20⸰С.

Рисунок 2.4. Задание контактных зон при температурном воздействии на материалы

Исследование в программе двух контактных зон после воздействия нагрузки. Контактная поверхность: железобетон – слой клея, слой клея – слой углепластика.

Рисунок 2.5. Проверка контактных зон при температурном воздействии на материалы

Приложение равномерно распределенной нагрузки 5000 Н после температурного воздействия. Представлены поля деформаций по заданным контактным зонам, указаны зоны наиболее подверженные разрушениям участки.

Ansys Workbench R1 проведен линейный анализ потери прочности и жесткости конструкции на основании расчета методом конечных элементов, при задании граничных условий и нагрузки в модуле «Static Structural».

Ста­ти­че­ский ана­лиз ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния пе­ре­ме­ще­ний, на­пря­же­ний, де­фор­ма­ций и уси­лий, воз­ни­каю­щих в со­став­ных час­тях кон­ст­рук­ции при дей­ст­вии заданной равномерно-распределенной на­гру­зки.

Такой анализ пред­по­ла­га­ет­ по­сто­ян­ст­во на­гру­же­ния и от­кли­ка сис­те­мы, это значит, что программа при проведении расчета пре­неб­регает очень мед­лен­ны­ми из­ме­не­ния­ми этих па­ра­мет­ров во вре­ме­ни. Ста­ти­че­ский ана­лиз мо­жет быть ли­ней­ным или не­ли­ней­ным. Раз­ре­ше­ны все ти­пы не­ли­ней­но­стей: боль­шие де­фор­ма­ции, пла­стич­ность, пол­зу­честь, на­ли­чие эле­мен­тов за­зо­ра и проч.

Программой производится линейный анализ потери устойчивости, а также учитываются все нелинейные эффекты в предварительном прочностном анализе.

Расчет нагрузок, выявление деформаций конструкции произведен расчетной программой методом Ньютона-Рафсона по нелинейному анализу потери устойчивости.

При опи­са­нии свойств рассматриваемых ма­те­риа­лов были заданы следующие параметры композитных материалов: мо­ду­ль Юн­га, плот­но­сть, ко­эф­фи­ци­ен­т теплового рас­ши­ре­ния.

Тем­пе­ра­ту­ра за­давалась как не­по­сред­ст­вен­но числом, так и счи­ты­ва­ни­ем ре­зуль­та­тов те­п­ло­во­го ана­ли­за с це­лью оп­ре­де­ле­ния тем­пе­ра­тур­ных на­пря­же­ний. Ввиду необходимости учета тем­пе­ра­тур­ных де­фор­ма­ций каждому материалу за­дан ко­эф­фи­ци­ент ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния.

Рассмотрим полученные результаты.

Рисунок 2.6. Схема армирования и распределения напряжений после температурного воздействия

Модель разделена до сетки армирования с указанием зон минимальных и максимальных деформаций. Как и на рисунке 2.2 видны идентичные поля максимальных напряжений в конструкции.

Рисунок 2.7. Схема визуальных деформаций в балке после температурного воздействия

Для визуального восприятия изменен масштаб полученного результата, виден прогиб усиленной балки с указанием зоны максимальной деформации.

Приклеенный слой углепластика и весь ламинат не имеют зон отслоения или деформаций, не связанных со статической приложенной нагрузкой.

Для полного метода Ньютона-Рафсона, который является методом решения по умолчанию для нелинейных задач, приложенные нагрузки всегда увеличиваются постепенно, что может вызвать проблемы в точке потери устойчивости при получении результатов сходимости в Ansys Workbench R1 [6]. Несмотря на это, метод корректирует прикладываемую нагрузку на основе взаимосвязи между вычисленными приращениями перемещений что позволяет, при необходимости, уменьшить прикладываемую нагрузку. В результате, это помогает захватить закритическое состояние после точки неустойчивости.

Приложенная нагрузка 5 000 Н не была скорректирована программой, значит несущая способность усиленной конструкции не достигла критического значения, что позволяет установить корректно смоделированную балку под заданную нагрузку.

Согласно полученным результатам проведенного исследования сдвигов, деформаций и перемещений в клеевом составе на границе присоединения системы усиления к железобетонной балке не выявлено.

Анализируя результаты испытания можно сделать вывод, что гибкие ленты и ткани углепластика могут применяться в II-IV строительно-климатических районах.

Решения о ремонте ответственных железобетонных конструкций зданий, а также конструкции мостов, тоннелей, эстакад и даже фундаментов принимаются в первую очередь на основании технико-экономических расчетов и трудозатрат, необходимых для проведения строительно-монтажных работ по восстановлению работоспособности конструкций. Учитывая климатические особенности нашей страны большая часть таких конструкций расположена в климатических условиях северных широт, что затрудняет проведение работ со сложными, матералоемкими процессами.

Экономическую целесообразность использования углепластиков в усилении необходимо рассчитывать на долгосрочный период эксплуатации конструкции без необходимого проведения ремонтных работ.

Системы усиления внешним армированием из углепластиков являются наиболее конкурентоспособными для обеспечения надежности и долговечности, железобетонных ответственных конструкций.