Фиброармированные полимерные композиты (FRP) используются для усиления конструкции в Соединенных Штатах на протяжении почти 25 лет. В течение этого периода использование композиционных материалов только росло и в настоящее время профессионалы чаще применяют усиление композиционными материалами, нежели традиционные методы усиления, такие как установка дополнительных стальных элементов.
Усилению существующих конструкции композиционными материалами предваряют комплексная оценка, проектирование и детализация процессов, требующие хорошего знания условий, в которых работает конструкция, а также материалов, используемых для усиления или восстановления несущей способности конструкции. Для определения возможности применения композиционных материалов для проектов усиления конструкций необходимо понимать преимущества, которые они предлагают, а также, что еще более важно, знать ограничения по их использованию.
Что такое композиционные материалы?
Композиционные материалы состоят из высокопрочных волокон, например стеклянных, углеродных или стальных, заключенных в полимерную матрицу. Волокна воспринимают нагрузку, а полимерная матрица (эпоксидные смолы) является связующим, обеспечивает совместную работу волокон и их защиту от повреждений.
Композиционные материалы могут быть созданы в построечных условиях, когда углеродные или стеклянные ткани наклеиваются на подготовленную бетонную поверхность и пропитываются составами на основе эпоксидных смол. После отверждения композиционный материал становится единым целым с усиливаемой конструкцией и образует т.н. систему внешнего армирования. Композиционные материалы могут быть также изготовлены в заводских условиях с помощью технологии пултрузии, когда на специальном оборудовании изготавливаются композиционные материалы различного сечения, такие как стержни или пластины.
Наиболее распространенными материалами для систем внешнего армирования являются материалы на основе углеродных волокон. Углерод обладает превосходными механическими свойствами и более высокой прочностью на разрыв, жесткостью и долговечностью по сравнению со стекловолокном. Использование готовых полос и пластин из углепластика, как правило, ограничивается прямыми или слегка изогнутыми поверхностями, такими как низ плит или балок. Готовые элементы из углепластика слишком жесткие и их нельзя согнуть на месте, чтобы обернуть вокруг колонны или балки.
Ткани же для систем внешнего армирования, производимые в основном на основе однонаправленных углеродных волокон, применимы для конструкций, имеющих любую геометрию. Их можно наклеить к растянутой зоне конструктивных элементов (например, плит или балок) для увеличения прочности на изгиб, использовать для U-образной наклейки вокруг балок для увеличения их прочности на сдвиг, обернуть вокруг колонн для увеличения прочности на осевое сжатие и сдвиг. Система наклейки тканей на бетонную поверхность может включать следующие компоненты: праймер – для пропитки бетонной поверхности и улучшения сцепления, эпоксидную шпатлевку – для заполнения мелких пустот и выравнивания поверхности, клеевый состав на основе эпоксидных смол – для пропитки тканей и наклейки их на подготовленную поверхность, состав для нанесения защитного покрытия – для защиты поверхности композита от возможного воздействия окружающей среды и механических повреждений. Ультрафиолетовые лучи негативно влияют на большинство эпоксидных смол, но их можно защитить с помощью акриловых, цементных и других покрытий.
Ткани и клеевые составы для систем внешнего армирования, как правило, разрабатываются как единая система. Замена компонента одной системы на компонент из другой системы является нежелательным и может негативно сказаться на свойствах затвердевшего композитного материала.
Сцепление между системой внешнего армирования и существующей бетонной поверхностью имеет решающее значение для работы конструкции. Любые дефекты поверхности должны быть устранены до наклейки тканей или ламинатов. В противном случае это может привести к повреждению системы внешнего армирования в результате отслоения от бетона.
Разница между композиционными материалами и сталью
Композиционные материалы на основе волокна отличаются от стали тем, что обладают различными свойствами в различных направлениях, т.е. является анизотропным материалом, в то время как сталь обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях, т.е. является изотропным материалом. Самые распространенные типы волоконных материалов для армирования железобетонных конструкции производятся из непрерывных однонаправленных углеродных или стеклянных волокон. При растяжении вдоль волокон однонаправленные композиционные материалы проявляют свойство упругой деформации вплоть до разрыва, без проявления признаков пластической деформации. В связи с упругими свойствами композиционных материалов, а также их внешним расположением в усиливаемой конструкции, стандартные методы, используемые для определения количества стальной арматуры, не применяются для систем внешнего армирования из композиционных материалов. Для их проектирования применяются относительно более сложные процедуры, которые могут включать итеративные методы расчета.
В связи с тем, что волокно в композиционном материале является главным компонентом несущим нагрузку, тип волокна, ориентация волокон и толщина ткани (количество волокон) определяют прочность на растяжение и жесткость материала.
Полимерные композиты различаются по прочности в зависимости от типа используемого волокна (фибры). Прочность на растяжение стеклянных волокон близка к пределу текучести низкоуглеродистой стали, композиты на основе углеродных волокон обладают прочностью на растяжение в 2-5 раз превышающую предел текучести низкоуглеродистой стали. Модуль упругости как стеклянных, так и углеродных волокон меньше модуля упругости стали; в то же время модуль упругости углеродных волокон в 2-5 раз превышает модуль упругости стеклянных волокон. Вес композиционных материалов на основе волокна примерно в пять раз меньше веса стали.
Характеристики композиционных материалов можно получить у их производителей. Также их можно определить посредством испытаний, описанных в стандарте ASTM D7565.
Большинство руководств по проектированию предписывают использовать расчетное сопротивление растяжению композиционного материала с учетом понижающего коэффициента условий работы. Эти коэффициенты зависят от типа волокна композиционного материала и условий, в которых будет эксплуатироваться усиливаемая конструкция. Для композиционных материалов на основе углеродных волокон коэффициент условий работы обычно принимается: 0,95 – при эксплуатации конструкции внутри зданий и сооружений и 0,85 – при эксплуатации на открытом воздухе и в условиях агрессивной внешней среды.
Применение композиционных материалов
Композиционные материалы на основе волокна являются очень практичным инструментом для усиления и ремонта железобетонных конструкции и применяются как для усиления конструкции работающих на изгиб и сдвиг, так и для усиления колонн.
Композиционные материалы также успешно применяются для сейсмического усиления железобетонных конструкций. Сейсмоусиление конструкции направлено на предотвращение хрупкого разрушения, таких как сдвиговые разрушения колонн и балок, разрушение в местах обрыва продольной арматуры и т.д. Усиление колонн обоймой из композиционных материалов также может предотвратить потерю устойчивости продольной арматуры. В целом сейсмическое усиление полимерными композитами увеличивает способность конструкции к поглощению сейсмической энергии.
В связи с коррозионной стойкостью композиционные материалы можно применять как внутри, так и снаружи зданий и сооружений и практически в любой среде.
Нормы и стандарты
В мире опубликовано несколько руководств и норм по проектированию систем внешнего армирования железобетонных конструкции композиционными материалами. В США Комитет 440 Американского института бетона (ACI Committee 440) опубликовал ACI 440.2R, Руководство по усилению железобетонных конструкции системами внешнего армирования из композиционных материалов (Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures). Однако этот документ не является нормативным, и на него нет ссылок в нормативных документах, включая Международные строительные нормы (International Building Code (IBC)) и Международные нормы для существующих зданий (International Existing Building Code (IEBC)).
Понимая необходимость в нормах для ремонта, Американский институт бетона (ACI) в 2013 г. опубликовал Нормативные требования по оценке состояния, ремонту и восстановлению железобетонных зданий (Code Requirements for Evaluation, Repair and Rehabilitation of Concrete Buildings (ACI 562)) – первый нормативный документ для ремонта существующих зданий, обусловленный потребностями практической деятельности. Этот документ действует совместно с IEBC, в случае если признается их действие или как отдельный нормативный документ в тех штатах, где нормы IEBC не действуют.
Положения ACI 562 не являются чем-то новым для профессионалов и включают в основном те же самые требования, что и для традиционного проектирования железобетонных конструкции. ACI 562 предписывает профессионалам-проектировщикам учитывать поведение конструкций во все время их жизненного цикла, как во время проведения ремонта, так и после ее окончания. ACI 562 допускает применение композиционных материалов на основе волокна для ремонта и усиления железобетонных конструкций и делает ссылки на нормы ACI 440 для детального проектирования.
Ограничения
Минимальная несущая способность усиливаемой конструкции
Согласно ACI 440.2R для усиления конструктивного элемента композиционными материалами необходимо чтобы усиливаемый элемент обладал определенной минимальной несущей способностью. Это требование направлено на то чтобы максимальная несущая способность конструкции без усиления была выше расчетной нагрузки соответствующей эксплуатационной нагрузке в обычных условиях.
Минимальное значение несущей способности усиливаемой конструкции согласно ACI 440.R равно:
Rn = 1.1DL + 0.75LL (1),
где Rn – расчетная несущая способность конструктивного элемента до усиления
DL – расчетная постоянная нагрузка, действующая после усиления
LL – расчетная временная нагрузка, действующая после усиления
Это ограничение предписывает рассматривать систему внешнего армирования только в качестве второстепенного армирования и использовать как дополнение к существующей стальной арматуре конструкции. В случае повреждения системы внешнего армирования, конструкция должна обладать достаточным запасом прочности чтобы выдерживать эксплуатационную нагрузку до тех пор, пока повреждение не будет устранено.
Поскольку система внешнего армирования проектируется на весь жизненный цикл конструкции, необходимо учитывать воздействие возможных будущих реконструкции и перестроек, в результате которых возможно случайное повреждение системы. Такие повреждения возможно не сразу будут обнаружены, и конструктивный элемент должен сохранять работоспособность пока повреждение не будет обнаружено и устранено. Условие (1) предназначено для учета этой ситуации, т.е. направлено на минимизацию возможности обрушения в результате разрушения или повреждения системы внешнего армирования. В случае, когда высока вероятность действия временной нагрузки в течение длительного периода времени (например, в складских помещениях), вместо коэффициента 0,75 используется коэффициент 1,0.
Данное ограничение не зависит от требований пожарной безопасности. Оно должно удовлетворяться, даже если композиционные материалы защищены огнеупорными покрытиями. Ограничение действует при всех типах усилений (усиление при работе конструкции на изгиб, сдвиг или осевое сжатие), но оно не действует при особых нагрузках (сейсмические, взрывные и другие нагрузки, которые классифицируются ASCE 7 как «extreme events»).
При удовлетворении условия (1) в зависимости от соотношения постоянной и временной нагрузки, несущая способность конструкции при усилении композиционными материалами увеличивается до 40%. Если несущая способность конструкции увеличивается более чем на 40%, целесообразно рассматривать другие, традиционные методы усиления.
Прочность бетона
Прочность бетона основания является важным параметром в тех случаях, когда сцепление имеет определяющее значение, например при усилении на изгиб или сдвиг. Для передачи напряжений системе внешнего армирования бетон основания должен обладать достаточной прочностью. И для того, чтобы обеспечить установленное в ACI 440.2R минимальное сцепление в 200 фунтов на кв. дюйм (1,4 МПа), прочность на сжатие бетона основания должна быть более 2500 фунтов на кв. дюйм (17 МПа). Это значение минимальной прочности не распространяется на те случаи усиления, когда определяющим является контактная связь материала усиления с бетоном, а не величина сцепления, например при усилении колонн обоймами из композиционных материалов.
Огнестойкость
В то время как углеродные волокна способны выдерживать высокие температуры, клеящие составы имеют гораздо меньший порог температурной устойчивости. Вариантом решения этой проблемы является устройство огнеупорных покрытий, однако это не всегда оправдано в связи с высокой стоимостью специальных огнеупорных материалов.
Огнестойкость усиливаемых конструкций должна оцениваться без системы внешнего армирования, т.е. необходимо определить обладает ли конструкция без усиления достаточной прочностью и огнестойкостью. Если обладает, то нет необходимости в противопожарной защите композиционных материалов. Если же конструкция без усиления не обладает достаточной прочностью и огнестойкостью, то необходимо провести расчеты экономического обоснования устройства огнезащитных покрытий и оценить их соответствие противопожарным нормам.
Установка
Технология установки композиционных материалов на поверхность усиливаемой конструкции может слегка различаться в зависимости от производителя. Основными параметрами, которые влияют на технологию монтажа и функционирование системы являются температура и влажность поверхности бетона основания во время установки.
Определяющее значение имеет подготовка поверхности к наклейке композиционных материалов. Любые дефекты поверхности должны бать устранены; в случае коррозии арматурной стали необходимо обработать их специальными веществами предотвращающими развитие коррозии, а защитный слой бетона восстановлен с помощью специальных ремонтных составов. Ненадлежащая подготовка поверхности может привести к отслоению композитного усиления.
Международный Институт Ремонта Бетона (International Concrete Repair Institute) разработал несколько руководств по подготовке поверхности бетона, выбору ремонтных материалов и технологии их нанесения. Отверждение клеевых составов после наклейки композиционных материалов зависит от времени, прошедшего после наклейки и температуры окружающей среды. Чем выше температура, тем быстрее происходит отверждение составов, обычно в течение одного-трех дней. Для учета различных ситуации производители обычно выпускают несколько видов клеящих составов.
Выводы
Композиционные материалы успешно используются для усиления зданий, мостов, силосов, резервуаров, тоннелей и подземных труб. Высокая стоимость композиционных материалов компенсируется сокращением затрат труда, меньшим количеством используемого оборудования и меньшим количеством технологических перерывов во время монтажа, что делает их более экономически эффективными, чем традиционные методы усиления.
Хотя усиление композиционными материалами включает в себя целый комплекс процессов, оно имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями усиления. Понимание свойств композиционных материалов, а также ограничений по их применению является важным шагом по выработке правильных проектных решений и их воплощению в жизнь.
Автор Tarek Alkhrdaji
Источник: www.structuremag.org
перевод Smeta-kz.com