+7 (499) 226-91-87

Исследования и разработки

СТО 34.01.01-2011. Усиление пролётных строений мостов материалами на основе высокопрочных углеродных волокон

Управление автомобильных дорог администрации Волгоградской области

 

 

Стандарт организации

 

 

Усиление пролётных строений мостов материалами на основе высокопрочных углеродных волокон

 

СТО 34.01.01-2011

 

 

 

 

 

Волгоград 2011

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

          ПРЕДИСЛОВИЕ...........................................................................................2

  1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.............................................................................3
  2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН.............................................................................5
  3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЁТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ......................................................8
    • Расчёт по предельным состояниям первой группы................................................................................................8
      • Расчёт прочности нормальных к продольной оси сечений по условию равновесия усилий.....................................................................................10
      • Расчёт прочности сечений, наклонных к продольной оси элемента..................................................................................15
    • Расчёт по предельным состояниям второй группы..............................19
  4.  ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ......................................................20
    • Принципиальные схемы усиления основных типов конструкции..........20
    • Подготовка основания под наклейку...................................................21
    • Раскрой холста или ламината.............................................................22
    • Приготовление клея (адгезива)...........................................................23
    • Наклейка холста.................................................................................23
    • Наклейка ламината.............................................................................26
    • Конструктивные особенности выполнения усиливающих накладок......27
  5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА................................................................................30
    • Входной контроль..............................................................................30
    • Операционный контроль.....................................................................30
    • Приёмочный контроль........................................................................31
  6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ..................32
  7. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ И ЛИТЕРАТУРА...................................................33

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Условные обозначения...............................................................35

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Определение геометрических характеристик сечений железобетонных балок, усиленных ФАП.................................................................39

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Экспериментальное исследование балок, усиленных композиционным материалом..................................................................................42

 

 

Предисловие

 

Стандарт разработан ЗАО «Компания «Дорис» по заданию Управления автомо-бильных дорог Администрации Волгоградской области.

Разработка Стандарта организации предусмотрена статьей 13 Федерального закона «О техническом регулировании» № 184ФЗ.

В разработке Стандарта организации СТО 34.01.01-2011 принимали участие:

Руководитель темы, к.т.н., доцент Волгоградского ГАСУ Б.С. Кисин,
Начальник отдела искусственных сооружений О.А. Аданкин,
Главный инженер проектов И.А. Воронченко,
Инженеры П.А. Редькин, А.С. Крошкин,

а также специалисты:
Руководитель направления "Усиление конструкций" ООО «БАСФ Строительные системы», к.т.н. А.Н. Костенко,
Инженер-строитель ООО "Агама" Т.А. Соловьева.

Утвержден и введен в действие техническим советом Управления автомобильных дорог Администрации Волгоградской области Протоколом № 1 от 18 января 2012г.

 

 

 

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ


Усиление пролетных строений мостов материалами                               Введен

на основе высокопрочных углеродных волокон                                     впервые


 

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий Стандарт организации СТО 34.01.01-2011 разработан в целях определения рациональной области использования композиционных материалов на основе высокопрочных углеродных волокон при ремонте мостовых сооружений в Волгоградской области с учетом реальных условий их эксплуатации, разработке технологий, сводящих к минимуму ремонтные работы и не требующих закрытия движения по мостам или полосам движения.
В Стандарт организации вошли мероприятия и рекомендации по усилению железобетонных мостовых конструкций с помощью эффективной современной технологии - наклейки высокопрочных фиброармированных пластиков (далее - ФАП).
Использование этих материалов в соответствии с технологией производства работ и требованиями к основанию усиливаемых конструкций дает следующие значи-тельные преимущества по сравнению с традиционными материалами и методами усиления:

- малый собственный вес элементов усиления;
- небольшие габаритные размеры и отсутствие выступающих частей;
- легкость транспортировки;
- высокие прочностные характеристики материалов;
- хорошее восприятие сейсмических воздействий, а также ударных и взрывных нагрузок в сочетании с усиливаемой конструкцией;
- высокая стойкость к агрессивным воздействиями внешней среды;
- отсутствие коррозии;
- низкие энергоемкость и трудоемкость производства работ;
- проведение работ по усилению без перерыва движения по мостам;
- простота монтажа;
- высокая степень выносливости.

В большинстве случаев производство ремонтных работ с помощью углепластиков оказывается экономически более выгодным по сравнению с традиционными способами, несмотря на высокую стоимость исходных материалов.
Наиболее часто технологии с использованием ФАП находят применение в следующих случаях:

- восстановление несущей способности элементов мостов и путепроводов при наличии дефектов, влияющих на грузоподъемность и долговечность сооружений (трещины, выщелачивание бетона, коррозия арматуры и т.п.);
- повышение несущей способности и уменьшение прогибов элементов пролетных строений, требующих усиления в связи с увеличением временной нагрузки;
- значительное увеличение сопротивления ударным и динамическим нагрузкам;
- сохранение несущей способности конструкций при изменении расчетных схем;
- повышение сейсмостойкости сооружений.

Настоящий Стандарт распространяется на ремонт и усиление железобетонных конструкций пролетных строений и опор мостовых сооружений в Волгоградской области с применением технологии наклейки ФАП.
Требования, изложенные в разделах 4, 5 и 6, являются обязательными.
При проектировании усиливаемых конструкций следует предусматривать, чтобы нагрузка во время усиления не превышала 65÷70 % расчетной величины. Обязательным требованием является обеспечение включения в работу элементов усиления и их совместное деформирование с телом усиливаемой конструкции. Для мостов - это исключение временной нагрузки на усиливаемом элементе, и желательное снижение части постоянной нагрузки (например, удаление «лишних» слоев асфальтобетонного покрытия или полная замена мостового полотна во время ремонта).
Работы по ремонту и усилению конструкций с применением указанной выше технологии следует производить в полном соответствии с утвержденным проектом производства работ.

 

2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Наиболее распространенными формами применяемых для усиления композиционных материалов являются ленты (ткани, холсты) различного плетения и полосы (ламели, ламинаты).

Холсты представляют собой гибкую ткань с одно- или двунаправленным расположением волокон. При установке на конструкцию они утапливаются в полимерный слой - матрицу, обеспечивающую их плотное прилегание к усиливаемой конструкции. Такой способ применения композиционных материалов называется «по месту».

Ламинаты - это изготовленные в заводских условиях изделия из ФАП, непосредственно приклеиваемые на заранее подготовленную поверхность усиливаемой конструкции. Объемное содержание армирующих волокон в полимерной матрице колеблется от 25÷35% в холстах, до 50÷70% в ламинатах.

Физико-механические свойства материалов на основе углеродных волокон определяются типом и количеством применяемых волокон, их ориентацией и распределением в поперечном сечении ламината, а также объемным соотношением волокон и от-верждающего полимера в композите.

В табл. 2.1 приводятся сравнительные характеристики углеродных полосовых композиционных материалов, а в табл. 2.2 - характеристики холстовых материалов, применяемых в строительстве (по данным производителей).

Плотность армирующих углеродных волокон находится в пределах 1,5÷1,6 г/см3. Коэффициент линейного температурного расширения в продольном направлении αL=1·10-6/ ºC, в поперечном направлении αТ = (22÷50)·10-6/ ºC. (Для справки: коэффициент линейного расширения (к.л.т.р.) бетона находится в пределах от 7·10-6/ ºC до 11·10-6/ ºC и считается изотропным. Сталь имеет к.л.т.р., равный 11·10-6/ ºC.)

При растяжении ФАП имеют линейную зависимость между напряжениями и деформациями вплоть до разрушения.

Холсты предназначены для усиления элементов конструкций, в которых возникают значительные по величине растягивающие и касательные напряжения от суммарных эксплуатационных нагрузок. Этот вид материала применяется при усилении опор и пролетных строений мостов, имеющих сложную конфигурацию или поперечное сечение (круг, тавровые и коробчатые сечения), где применение ламинатов затруднено или невозможно.

Важным компонентом системы усиления внешним армированием при помощи композиционных материалов является адгезив или клеящий состав. Основным его назначением, помимо приклеивания, является восприятие сдвиговых и отрывающих усилий между соединяемыми поверхностями. В процессе твердения в адгезивах происходят химические процессы, резко замедляющиеся при температурах ниже +10ºС. Поэтому, в большинстве случаев во время производства работ по усилению окружающая температура должна быть выше +10ºС.

Наиболее распространенные клеящие составы приведены в табл. 2.3. Выбор типа эпоксидного адгезива зависит от особенностей его применения и определяется такими факторами, как температурно-влажностный режим окружающей среды и склеиваемых поверхностей, а также требуемой скоростью твердения. Адгезивы должны выдерживать температуру до +50º С во время эксплуатации и иметь температуру стеклования не менее +60º С.

Таблица 2.1.

Физико-механические свойства углепластиковых ламинатов

Таблица 2.2

Физико-механические свойства углепластиковых холстов (тканей)

Таблица 2.3

Клеящие составы различных производителей

 

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ

Система усиления ФАП включает в себя:

- грунтовки бетонных поверхностей;
- шпатлевочные составы;
- адгезивы (клеи);
- 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 холст состава с бетонной поверхностью.
Шпатлевочные составы применяют для заполнения каверн и выравнивания поверхности.

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

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

 

4.1. Принципиальные схемы усиления основных типов конструкций

Усиление центрально- и внецентренно сжатых конструкций (колонны, простенки) осуществляется путем устройства вокруг сечения элементов бандажей с направлением волокон перпендикулярно продольной оси усиливаемой конструкции. Бандажи устанавливаются дискретно или производится оборачивание целиком (рис. 4.1)

Рис. 4.1. Принципиальная схема усиления колонны.

Усиление изгибаемых балочных конструкций осуществляется наклейкой ФАП на нижнюю (в растянутой зоне конструкции) поверхность ребра с направлением волокон вдоль оси усиливаемой конструкции и вертикальных, либо наклонных хомутов в приопорной зоне с направлением волокон перпендикулярно продольной оси (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Принципиальная схема усиления балки.

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 продольным накладкам (рис. 4.3).

 

4.2. Подготовка основания под наклейку

Под основанием подразумевается поверхность бетона, на которую производится наклейка усиливающего элемента - ламината или холста. Основание должно отвечать определенным геометрическим, механическим и физико-химическим критериям.

До наклеивания элементов внешнего армирования (холстов, ламинатов) поверхность основания должна быть выровнена, а локальные геометрические дефекты устранены.

Поверхность бетона должна быть очищена от краски, масла, жирных пятен, цементной пленки. Очистка поверхности осуществляется путем пескоструйной обработки или обработки металлическими щетками с последующей высоконапорной промывкой водой (под давлением не менее 100 атм.).

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 бетона до обнажения крупного заполнителя.

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

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

Ровность поверхности не должна иметь отклонений более 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 25см2. 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.

Рис. 4.3. Принципиальная схема усиления плит.

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.

При оборачивании конструкций в поперечном направлении холстом, 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. 4.4).

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

 

 

4.3. Раскрой холста или ламината

Раскрой холста или ламината производится в соответствии с принятой проектом схемой наклейки и осуществляется на гладком столе (верстаке), покрытом полиэтиленовой пленкой.

При использовании холста стол должен быть снабжен приспособлением для разматывания холста с бобины. Для резки холста следует использовать ножницы или острый нож, для резки ламината – специальные отрезные диски. Заготовки холстов каждого размера нарезаются в требуемом количестве, сматываются в рулоны, снабжаются этикеткой с указанием номера, размера и количества заготовок и помещаются в мешок.

Рис. 4.4. Подготовка углов конструкций перед наклейкой углеродного холста.

 

 

4.4. Приготовление клея (адгезива)

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.

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

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

В емкость для приготовления адгезива выливается дозированное количество компонентов. Компоненты тщательно перемешивают 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.

 

 

4.5. Наклейка холста

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.

Холст должен всегда укладываться на слой адгезива. Делается это, например, тыльной стороной руки, путем постепенного размещения холста с одного края основания до другого. В процессе укладки необходимо следить, чтобы кромка холста была параллельна линии разметки на основании, либо кромке предыдущего наклеенного. Холст может быть предварительно нарезан на отрезки проектной длины (заготовки), либо постепенно разматываться с бобины и обрезаться по месту в процессе наклейки.

Холст должен укладываться без складок и без излишнего натяжения. После укладки осуществляется его прикатка, в процессе которой происходит пропитка. Пропитка осуществляется с помощью жесткого резинового валика или шпателя от центра к краям строго в продольном направлении (вдоль волокон). После пропитывания холст должен быть слегка липким на ощупь, но без явно видимого присутствия адгезива.

Перед укладкой второго слоя холста (при многослойной конструкции усиления) на прикатанный холст наносится слой адгезива из расчета 0,5÷0,6 кг/м2. Укладка и прикатка второго и последующих слоев производится аналогичным образом.

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

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

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.).

При наклейке на горизонтальные поверхности сверху холст постепенно укладывается без натяжения от центра к краям, разглаживается руками (в резиновых перчатках) и прикатывается валиком или шпателем. Укладка осуществляется двумя рабочими (рис. 4.5). Укладка каждого последующего слоя может начинаться сразу же после завершения прикатки предыдущего слоя. Технологических ограничений по количеству укладываемых слоев нет.

При наклейке на горизонтальные поверхности снизу (потолок) холст прижима-ется (фиксируется) с одного конца и затем постепенно разглаживается и фиксируется по всей длине (рис.4.6). В зависимости от вязкости адгезива (определяемой в значительной мере температурой окружающей среды), наклейка холста производится непосредственно вслед за нанесением адгезива, либо после некоторой выдержки, за время которой вязкость адгезива возрастает и обеспечивается фиксация ленты на потолочной поверхности (холст не отваливается после прикатки).

Рис. 4.5. Схема наклейки на горизонтальную поверхность сверху (пол).

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

При длине усиливающих элементов более 3-х метров, в целях облегчения процесса укладки, холст 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 холста по направлению расположения волокон. Стыковка многослойной конструкции усиления должна осуществляться в разбежку по длине (в разных сечениях).


Рис. 4.6. Схема наклейки на горизонтальную поверхность снизу (потолок).

Холст нежелательно разрезать в продольном направлении, поскольку он распускается на отдельные пряди. При необходимости резки в продольном направлении (вдоль волокон) холст по линии разрезки должен быть предварительно обработан клеем, предотвращающим распускание волокон в поперечном направлении.

При выполнении усиления на вертикальных поверхностях нанесение адгезива на основание производится сверху вниз. Наклейка вертикальных накладок осуществляется путем фиксации (прижатия) холста в верхней части и постепенной укладки и разглаживания по высоте с последующей прикаткой (рис. 4.7). Наклейка горизонтальных полос на вертикальные поверхности производится путем фиксации холста 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 холста и нарушения его фиксации. При многослойном элементе усиления на вертикальных поверхностях в горизонтальном и вертикальном направлениях ("сетка") производится последовательная послойная наклейка в 2-х направлениях.

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 холстов могут выполняться при температуре окружающей среды в диапазоне +5 ÷ +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.

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%.

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.

Рис. 4.7. Наклейка на вертикальную поверхность (стена).

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.

 

 

4.6. Наклейка ламината

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 холста (см. 4.5).

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.

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

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.

 

 

4.7. Конструктивные особенности выполнения усиливающих накладок

Конструкция усиливающих накладок (форма, размеры, количество слоев) назначается на основании расчетов.

Максимальное количество слоев в накладке ограничивается расчетной силой сцепления с поверхностью основания.

Ламинат по длине наклейки должен выходить за пределы усиливаемой зоны не менее, чем на 100 мм (зона анкеровки) при прочности бетона основания на сжатие более 25 МПа, и на 150÷200 мм при прочности бетона менее 25 МПа.

При многослойной конструкции элемента усиления каждый последующий слой должен быть короче предыдущего на длину анкеровки. Такое решение позволяет снизить концентрацию нормальных и касательных напряжений в концевых зонах. Для неразрезных балок с однослойным усилением накладка должна быть продлена не менее чем на 150 мм за точку нулевого момента от расчетных нагрузок. В случае многослойного усиления каждый последующий слой должен быть короче предыдущего на 150 мм. Так, например, в случае трехслойной накладки, внутренний слой, контактирующий с основанием, длиннее внешнего слоя на 450 мм.

При работе изгибаемых элементов, усиленных композитными материалами, так же как и в традиционно армированных железобетонных элементах, возможно образование трещин.

В зоне трещин и композитного усиления возникает сложное напряженное состояние, характеризующееся высокой концентрацией напряжений сдвига по контакту "бетон - композит". В балочных конструкциях для усиления по наклонным сечениям в приопорной зоне могут быть установлены вертикальные, либо наклонные хомуты. Хомуты наклеиваются поверх продольной накладки нижнего пояса, чтобы обеспечить ее лучшую анкеровку.

Вертикальные хомуты выполняются из одного куска холста. Заготовка наклеивается (фиксируется) по всей длине и затем осуществляется прикатка от центра к краям (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Схема установки вертикальных хомутов в балочных конструкциях.

Наклонные хомуты выполняются из двух отрезков холста, стыкуемых по нижней (потолочной) поверхности ребра. Вначале наклеивается одна половина, осуществляется прикатка, после чего производится наклейка противоположенной части (рис. 4.9). Нахлест осуществляется по низу, на всю ширину ленты.

Рис. 4.9. Схема установки наклонных хомутов в балочных конструкциях.

При усилении на изгиб балочных и ребристых плитных конструкций рекомендуется загибание холста на боковые поверхности ребра для улучшения условий анкеровки и предотвращения отслоения защитного слоя. В этом случае холст наклеивается по всей длине кромкой на боковую поверхность ребра, после чего заворачивается на нижнюю (потолочную) поверхность и затем - на противоположную поверхность ребра (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Усиление балочных конструкций. Схема наклейки холстов на ребро.

 

 

5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

Соблюдение правил технологии усиления ФАП обеспечивается входным, операционным и приемочным контролем.

Требования к входному, операционному и приемочному контролю углеродных холстов, ламинатов и компонентов для приготовления адгезива, а также методы испытаний элементов усиления могут устанавливаться и уточняться другими техническими условиями на системы усиления внешним армированием из композитных материалов.

 

 

5.1. Входной контроль

Входной контроль распространяется на все используемые при производстве работ материалы. До начала работ проверяется наличие сопроводительной документации, производится осмотр состояния упаковки и внешнего вида материалов, проверяется их вес.

Все материалы ФАП поставляются партиями. Партией считается количество материала одного назначения, изготовленное по одному технологическому режиму из сырья с однородными свойствами и оформленное одним документом о качестве.

Документ о качестве должен содержать следующие данные:

- наименование предприятия-изготовителя;
- дата оформления документа о качестве;
- номер партии;
- наименование продукции;
- количество упаковочных мест;
- результаты испытаний;
- допустимый срок хранения;
- штамп и подпись отдела контроля качества предприятия-изготовителя.

Перед приготовлением адгезивов проверяется наличие сопроводительной документации и качество упаковки компонентов.

Фактически срок хранения материалов не должен превышать допустимый по паспорту.

 

 

5.2. Операционный контроль

Перед наклейкой систем усиления ФАП осуществляется контроль качества ос-нования в соответствии с требованиями, изложенными в разделе 4.2. Внешний вид поверхности (отсутствие загрязнений, масляных пятен и др.) оценивается визуально, отклонение от ровности - с помощью металлической линейки и щупа. Прочность бетона основания определяется одним из методов неразрушающего контроля прочности в соответствии с ГОСТ 22690-88 или ультразвуковым методом в соответствии с ГОСТ 17624- 87.

В процессе приготовления адгезива контролируется точность дозирования компонентов, однородность массы после перемешивания, отсутствие посторонних включений и сгустков (визуально).

При нанесении адгезива на поверхность бетона визуально и по весовому расходу контролируются толщина и равномерность слоя, отсутствие непокрытых участков.

При укладке и пропитке холстов визуально и по весовому расходу контролируются толщина и равномерность слоя адгезива, отсутствие непропитанных участков, складок, ориентация волокон.

Отклонение волокон от принятой проектом ориентации не должно превышать 5-ти градусов.

В процессе наклейки и отверждения усиливающих элементов регистрируется температура окружающей среды, влажность, температура на поверхности бетона и продолжительность отвержденияются.

 

 

5.3. Приемочный контроль

По завершении отверждения осуществляется визуальный контроль с целью выявления внешних дефектов (раковин, выступающей текстуры армирующего наполнителя).

Контроль внутренних дефектов (непроклеенных мест, расслоений) осуществляется путем акустического зондирования, легкого простукивания поверхности накладки молотком, либо другим методом неразрушающего контроля.

По результатам контроля производится оценка влияния расслоений на конструкционную целостность усиливающего элемента. При этом учитывается размер расслоений, их расположение и количество относительно общей площади усиливающего элемента.

Допускаются расслоения площадью каждое менее 10 см2, суммарная площадь расслоений должна быть менее 3% общей площади накладки.

Расслоения площадью более 10 см2 должны быть отремонтированы путем вырезания дефектных участков и установки заплатки с таким же количеством слоев.

Результаты входного, операционного и приемочного контроля заносятся в сопроводительную документацию производства работ.

 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫМ МАТЕРИАЛОМ

Анализ экспериментальных исследований, проведенных за рубежом и в РФ, показал, что в большинстве случаев испытаниям подвергались балки, усиленные только на действие изгибающего момента. В связи с этим предстояло выяснить схему разрушения балок, усиленных углепластиковыми композиционными материалами, на действие поперечной силы, а также уточнить методику их расчета по предельным состояниям.

В ноябре 2011 г на базе ООО «Компания ДОРИС» (г. Волгоград) по заданию Управления автомобильных дорог Администрации Волгоградской области были выполнены экспериментальные исследования по этой теме.

Главная цель экспериментальной части работы - показать эффективность такого способа усиления железобетонных конструкций.

Для испытаний были подготовлены три одинаковые железобетонные балки. Балки-образцы имели прямоугольное сечение высотой 240 мм и шириной 150 мм при общей длине балки 1800 см. Расчетный пролет - 1500 мм. Класс бетона балок по прочности на сжатие был определен в результате испытаний серии образцов-кубов в возрасте твердения 28 суток и соответствовал классу В35. Рабочая арматура балок А400 (А-III). Схема армирования балок приведена на рис. 1.П3.

Балка № 1 являлась контрольным образцом и испытывалась до разрушения без усиления.

Балка № 3 предназначалась для усиления углепластиком в зоне нижней грани (наклейка двух углепластиковых полос-ламелей MBrace LamCF 165/3000 шириной по 50 мм и толщиной 1,4 мм). В опорных зонах балка усиливалась хомутами из холстового углепластика MBrace FibCF 300/4900 шириной по 300 мм. Она также доводилась до разрушения.

Балка № 2 предназначалась для испытания с усилением (тем же углепластиком) после доведения ее до стадии трещинообразования, когда ширина раскрытия нормальных и наклонных трещин достигнет 0,2÷0,3 мм.

Испытания образцов проводились по схеме однопролетной балки с двумя сосредоточенными грузами при статическом приложении нагрузки. Стенд для испытаний и установка балок на стенде показаны на рис.2.П3 и рис.3.П3.

В качестве испытательной нагрузки использовался предварительно оттарированный гидродомкрат ДГ50Г-300 номинальной грузоподъемностью 56 тс с ручной насосной станцией. Нагрузка от гидродомкрата передавалась на верхнюю сжатую зону балки через распределительную траверсу из двутавра № 16. Траверса устанавливалась на образец центрально относительно его продольной оси посредством двух металлических опор с межосевым расстоянием 400 мм.

Нагрузка прикладывалась этапами по 1 тс. На каждом этапе нагрузка выдерживалась 8÷10 минут, снимались показания приборов, отыскивались и фиксировались трещины, замерялась ширина их раскрытия.

Рис.1.П3. Конструкция балок, подготовленных для эксперимента (для увеличения необходимо кликнуть на изображение)

Рис.2.П3. Стенд для испытаний балок (для увеличения необходимо кликнуть на изображение)

Рис.3.П3. Один из этапов испытаний

При испытаниях балок ставилась цель фиксировать следующие величины: P – несущую способность по моменту и поперечной силе, V – прогиб в середине пролета балок, Pcr – усилие трещинообразования, ε – относительные деформации на уровне верхней и нижней арматуры, acr - ширину раскрытия нормальных и наклонных трещин.

Деформации сжатой зоны бетона регистрировалась с помощью двух рычажных механических тензометров Гуггенбергера на базе 100 мм, растянутой зоны - с помощью специально изготовленных деформометров на базе 500 мм. Прогибы фиксировались двумя прогибомерами 6 ПАО с точностью 0,01 мм. Ширина раскрытия трещин измерялась отсчетным микроскопом. Все измерения проводились в середине пролета балок, за исключением трещин. Места установки приборов показаны на рис.4.П3

Первоначально испытаниям подвергались балки № 1 и № 2. Балка № 1 (не усиленная углепластиком) доводилась до разрушения полностью (10 этапов нагружения). При нагрузке 6 тс было зафиксировано появление поперечных трещин раскрытием до 0,08 мм. При нагрузке, близкой к 10 тс произошло разрушение по наклонной трещине.

Балка № 2 доводилась до стадии трещинообразования с раскрытием поперечных и наклонных трещин до 0,3÷0,4 мм (8 этапов), затем снималась со стенда, трещины при этом частично закрылись. Их покрыли эпоксидным праймером, наклеили ламели углепластика с помощью двухкомпонентного клея (адгезива) MBrace Laminate Adesivo, а для холстов - MBrace Adesivo Saturant, так же как и для балки № 3.

Рис.4.П3. Размещение приборов на испытуемых балках. (для увеличения необходимо кликнуть на изображение)

Для усиленной балки без трещин (№3) разрушающая нагрузка составила 21,6 тс и превысила несущую способность неусиленной балки более чем в два раза. Развитие небольших пластических деформаций стало заметно лишь при нагрузке близкой к критической. На всех этапах наблюдалась прямая пропорциональность деформаций сжатых и растянутых волокон сечения балки (упругая стадия работы). Разрушение произошло так же, как и в контрольном образце по косой трещине с одновременным разрушением сжатого бетона, отслоением ламелей и обрывом холстов в приопорной зоне (см. рис.5.П3).

Рис.5.П3. Разрушение усиленной балки (образец № 3)

Результаты испытаний балок-образцов приведены в табл. 1.

Табл. 1

Результаты испытаний образцов на прочность

Примечания: Awf - площадь поперечного сечения хомутов из углепластикового холста, P - разрушающая нагрузка, Qult - предельная поперечная сила, воспринимаемая наклонным сечением по расчету, Qmax - максимальная поперечная сила при разрушении образца.

Несущая способность железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами, по прочности наклонного сечения на действие поперечной силы определяется по формуле:

Qult ≤ Qb + Qsw + Qscf Qf ,

где Qult – внешняя поперечная сила;

Qb, Qsw, Qsc, Qf - соответственно поперечные силы, воспринимаемые бетоном в наклонном сечении, стальными хомутами, отгибами и хомутами из углепластиков-холстов. Вычисление этих величин выполняется по указаниям п. 3.1.2 настоящего Стандарта.

График изменения прогиба балок под нагрузкой представлен на рис.6.П3.

Рис.6.П3. График изменения прогиба балок под нагрузкой

 

ВЫВОДЫ:

  1. Доказана высокая эффективность усиления железобетонных изгибаемых элементов углепластиковыми композиционными материалами, поскольку несущая способность может быть увеличена вдвое.
  2. Наличие первоначальных трещин в растянутой зоне с раскрытием 0,3÷0,4 мм практически не сказывается на увеличении несущей способности усиленной балки.
  3. Результаты испытаний хорошо согласуются с методикой расчета наклонных сечений на действие поперечной силы по первой группе предельных состояний.