METHODOLOGY FOR STRENGTH ANALYSIS OF NORMAL CROSS-SECTIONS OF REINFORCED CONCRETE HYDRAULIC STRUCTURES STRENGTHENED WITH CARBON COMPOSITE MATERIALS

Abstract


The way to strengthen concrete structures in civil engineering by adding external reinforcement using carbon fiber composites is widely spreading in recent years. A method for calculating the strength of reinforced concrete in hydro technical constructions with reinforcing by carbon fiber composite materials was invented with the aim to justify the solutions of strengthening concrete structures. It was taken into consideration that the characteristic features of mass reinforced concrete structure with sand operating loads which including backpressure of water in the cracks and in opened construction joints. It has evolved the relations for calculation of strength in normal cross section of bending reinforced concrete member of hydro technical constructions which strengthening with external reinforcement by carbon fiber.


В настоящее время широкое применение находят композиционные материа- лы при усилении железобетонных конструкций общестроительного назначения [1-4].При этом в гидротехническом строительстве отмечаются лишь отдельные слу- чаи применения систем внешнего армирования (СВА) в качестве элементов уси- ления железобетонных конструкций. Следует отметить, что вышесказанное в большей степени относится к зарубежной практике [5-7].При проектировании усиления железобетонных конструкций гидросооруже- ний (ГТС) необходимо проводить расчетное обоснование проектных решений. В связи с этим возникает необходимость в разработке методики расчета проч- ности железобетонных конструкций ГТС, усиленных СВА на основе углеродных материалов.При этом необходимо учитывать характерные особенности массивных желе- зобетонных конструкций ГТС, а также особенности характера действия нагрузок.К характерным особенностям железобетонных конструкций ГТС относятся:массивность (значительные габариты);применяемые бетон и арматура, как правило, невысоких классов прочности (бетон В10-В30), арматура (А-II, А-III), в последнее время нашла применение арматура А500С;невысокие проценты армирования (менее 1%);наличие межблочных строительных швов;особый характер трещинообразования (в том числе наличие магистральных трещин);наличие водной среды.К особенностям характера действующих нагрузок относятся:гидравлическая нагрузка;необходимость учета противодавления в трещинах и раскрывшихся строи- тельных швах;возможные знакопеременные нагрузки.Авторами была разработана методика расчета прочности железобетонных кон- струкций ГТС, усиленных СВА на основе углеродных материалов, при действии изгибающего момента.При разработке данной методики за основу были приняты нормативные до- кументы по расчетам и проектированию железобетонных конструкций ГТС:П-46-89 «Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструк- ций гидротехнических сооружений (без предварительного напряжения)» к СНиП 2.06.08-87;СП 41.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 2.06.08-87 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений»;СТО 17330282.27.140.002-2008. Гидротехнические сооружения ГЭС и ГАЭС. Условия создания. Нормы и требования. Приложения. Книга 3. Приложение Г, РАО «ЕЭС России».Расчетная схема для нормального сечения балочной конструкции прямоуголь- ного сечения, совпадающего с нормальной (вертикальной) трещиной или рас- крывшимся вертикальным строительным швом, представлена на рис. 1.Рис. 1. Схема действия внешних и внутренних усилий в нормальном сечении усиленной железобетонной конструкции[Scheme of action for external and internal forces in the normal section of the strengthened reinforced concrete structure]В соответствии с разработанной методикой условие прочности железобетонной конструкции ГТС, усиленной СВА из углеродного волокна, в нормальном сече- нии при действии изгибающего момента имеет видM  Mult, (1)где М - изгибающий момент от внешних усилий; Mult - суммарный изгибающий момент от внутренних усилий относительно центра тяжести сжатой зоны бетона.Схема действия внешних и внутренних усилий в нормальном сечении пока- зана на рис. 1. Схема действия противодавления воды в нормальной трещине или в раскрывшемся вертикальном строительном шве представлена на рис. 2.Рис. 2. Схема действия противодавления воды в нормальной трещинеили в раскрывшемся вертикальном строительном шве: а) прямоугольная эпюра противодавления воды; б) треугольная эпюра противодавления воды[Scheme of the counter pressure action of water in a normal crackor in a disclosed vertical construction joint: a) a rectangular diagram of water counter pressure;a triangular diagram of water counter pressure]Уравнение равновесия сил в нормальном сечении в предельном состоянии материалов имеет видNb + Ns′ + V = Ns + Nf, (2)где Nb - продольная сжимающая сила в бетоне сжатой зоны; Ns′ - продольное усилие в сжатой арматуре; V - равнодействующая противодавления воды в вертикальной трещине или вертикальном строительном шве; Ns - продольное усилие в растянутой арматуре; Nf - продольное усилие в растянутом элементе усиления.Результаты проведенных экспериментальных исследований железобетонных балочных конструкций, усиленных элементами из углеродных материалов [8], показали, что продольные деформации в бетоне сжатой зоны конструкций рас- пределяются по треугольному закону (рис. 3).В связи с этим в рамках разработанной методики принималась треугольная форма эпюры сжимающих напряжений в бетоне сжатой зоны.В таком случае продольное сжимающее усилие в бетоне сжатой зоны опреде- ляется по зависимостиNb = 0,5Rb · b · x0, (3)где Rb - расчетное сопротивление бетона сжатию;Ns′ = As′Rsc, (4)где As′ - площадь сечения сжатой арматуры; Rsc - расчетное сопротивление армату- ры сжатию.Рис. 3. Эпюра относительных продольных деформаций в бетоне сжатой зоны усиленной железобетонной конструкций (× 10 Е-6) [Diagram of the relative longitudinal deformationsin concrete of the compressed zone of a strengthened reinforced concrete structure (× 10 E-6)]В соответствии с основными положениями разработанной методики учиты- вается воздействие противодавления воды Р в раскрывшихся трещинах и кон- тактных строительных швах (см. рис. 2).В случае прямоугольной формы эпюры противодавления воды равнодейству- ющая равнаV = p · (h - x0), (5)в случае треугольной формы эпюры противодавления воды -V = 0,5p · (h - x0), (6)усилие в растянутой арматуре определяется из зависимостиNs = As · Rs, (7)где As - площадь сечения растянутой арматуры; Rs - расчетное сопротивление ар- матуры растяжению.Усилие в растянутом элементе усиления определяется из зависимостиNf = Af · Rf, (8)где Af - площадь сечения элемента усиления на нижней растянутой грани; Rf - рас- четное сопротивление растяжению композитного материала элемента усиления.Значение суммарного изгибающего момента Mult от внутренних усилий отно- сительно центра тяжести бетона сжатой зоны определяется по формулеMult = Ms + Mf ± Ms′ - Mv, (9)где Ms - момент от действия усилия в растянутой арматуре; Mf - момент от действия усилия в растянутом элементе усиления; Ms′ - момент от действия усилия в сжатой арматуре (принимается со знаком «плюс» - в случае a′ > x0/3; со знаком «минус» - в случае a′ < x0/3); Mv - момент от действия равнодействующей противодавления;M = N⎞⎛xh - 0(10)s s ⎝⎜ 03 ⎠⎟,M = N⎛ h - x0 ⎞,(11)f f ⎝⎜3 ⎠⎟M ′ = ±N ′ ⎡ x0 - a′⎤,(12)s s ⎢ 3 ⎥⎣ ⎦M = N⎛0,5h + x0 ⎞,(13)v v ⎝⎜6 ⎠⎟в случае прямоугольной эпюры противодавления;2h M v = N v 3(14)в случае треугольной эпюры противодавления воды в трещине (строительном шве).Учитывая треугольный характер распределения продольных напряжений в бетоне сжатой зоны, высоту сжатой зоны x0 в железобетонной конструкции до усиления без учета противодавления определяют из зависимостиx0 = -nμh0 ±(nμh0 )02 + 2nμh2 ,(15)где n = Es/Eb; μ - коэффициент армирования конструкции, равный As/bh0.В железобетонной конструкции, усиленной СВА, высота сжатой зоны опре- деляется на основе решения уравнения (2) и равняется:в случае прямоугольной эпюры противодавления в трещине или в вертикаль- ном строительном шве:Rs As + R f A f - Rsc As′ - pbh x0 = ;(0,5Rbb - pb)(16)в случае треугольной эпюры противодавления в трещине или в вертикальном строительном шве:Rs As + R f A f - Rsc As′ - 0,5 pbh x0 = .0,5(Rbb - pb)(17)Величина расчетного сопротивления композитного материала Rf определяет- ся в соответствии с методикой, изложенной в СТО НИИЭС 002-2016 «Гидротех- нические сооружения. Усиление железобетонных конструкций системой внеш- него армирования из композитных материалов на основе углеродных волокон».При определении фактического (не предельного) состояния железобетонной конструкции ГТС, усиленной СВА из композитного материала, в зависимостях (3), (4), (7), (8), (9) вместо расчетных сопротивлений Rb, Rs, Rsc, Rf следует при- нимать значения напряжений σb, σs, σs′, σf, которые определяются на основе ги- потезы плоских сечений из соответствующих пропорций:σ′s = nσbx0 - a′ ,(18)x0σ f =σ s (h - x0 )E f(h0 - x0 )Es(19)для случая усиления конструкции перед началом ее нагружения;σ f =(σ s - σ0 )(h - x0 )E f(h0 - x0 )Es(20)для случая усиления конструкции под нагрузкой при напряжении σ0 в стальной арматуре.Неизвестные величины σb и σs определяются из совместного решения уравне- ний равновесия (1), (2) и (9).Выводы. При разработке методики расчета прочности учитывались характер- ные особенности массивных железобетонных конструкций ГТС, а также особен- ности характера действия нагрузок (в том числе противодавление воды в трещи- нах и раскрывшихся строительных швах).На основе экспериментальных данных о распределении продольных дефор- маций в сжатой зоне усиленной железобетонной конструкции принималась тре- угольная эпюра продольных напряжений в сжатой зоне.Разработаны зависимости для расчета на прочность нормальных сечений из- гибаемых железобетонных конструкций ГТС, усиленных внешним армировани- ем из углеродных материалов.© Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Фролов К.Е., 2017

Oleg D Rubin

Scientific Research Institute of Energy Structures (Open Joint-stock Company)

Author for correspondence.
Email: cskte@mail.ru
Stroitel’nyj proezd, 7A, Moscow, Russia, 125362

Doctor of Technical Sciences, Deputy General Director of JSC “Research Institute of Energy Facilities” (JSC “NIIES”)

Sergey E Lisichkin

Engineering Center of Structures, Constructions and Technologies in Energy (Limited Liability Company)

Email: cskte@mail.ru
Svobody str., 35, Moscow, Russia, 125362

Doctor of Technical Sciences, Deputy General Director of LLC “Engineering Center of Facilities, Structures, Technology in Energy Systems” (LLC “IC SCTE”)

Kirill E Frolov

RusHydro

Email: cskte@mail.ru
Malaya Dmitrovka str., 7, Moscow, Russia, 127006

Deputy General Director of OJSC “RusHydro” for research and design activities; (OJSC “RusHydro”)

  • Chernjavskij V.L. Sistema remonta i usilenija stroitel’nyh konstrukcij [System of repair and strengthening of building constructions]. Gidrotehnika [Hydraulic engineering]. 2010—2011. № 4 (21)—5(22). S. 60—63.
  • Rubin O.D., Lisichkin S.E., Balagurov V.B, Aleksandrov A.V. Novaya tekhnologiya remonta GTS posredstvom armirovaniya kompozitnymi materialami [The New technology of repair of hydrotechnical constructionsstrengthened by composite materials]. Izv. VNIIG. T. 280. 2016. Pp. 3—10.
  • Sandeep S. Pendhari, Tarun Kant, Yogesh M. Desai. Application of polymer composites in civil construction: A general review. Composite Structures № 84. 2008. Pp. 114—124.
  • Einde, L.V.D., Zhao, L., Seible, F. Use of FRP composites in civil structural application. Constr. Build Mater. № 17. 2003. Pp. 389—403.
  • Duell, J.M., Wilson, J.M., Kessler, M.R. Analysis of a carbon composite overwrap pipeline repair system. International Journal of Pressure Vessels and Piping 85 (2008). Pp. 782—789.
  • Mohitpour, M., Golshan, H., Murray, A. Pipeline design and construction: a practical approach. ASME Press; New York. 2003. Pp. 499—518.
  • Serdjuk A.I., Chernjavskij V.L. Opyt usilenija stroitel’nyh konstrukcij kompozicionnymi materialami pri rekonstrukcii Baksanskoj GJeS [Experience of building structures reinforcement composite materials in the reconstruction of the Baksanskaya HPP]. Gidrotehnika [Hydraulic engineering]. 2013. № 3 (32). Pp. 115—117.
  • Rubin O.D., Lisichkin S.E., Frolov K.E. Rezul’taty jeksperimental’nyh issledovanij zhelezobetonnyh konstrukcij gidrotehnicheskih sooruzhenij, usilennyh uglerodnymi lentami, pri dejstvii izgibajushhego momenta [The Results of experimental studies of reinforced concrete structures hydraulic structures strengthenedby carbon lamellas under the effect of bending moment]. Stroitel’naja mehanika inzhenernyh konstrukcij i sooruzhenij [Structural mechanics of engineering constructions and buildings]. № 6. 2016. Pp. 58—63.

Views

Abstract - 1677

PDF (Russian) - 229

PlumX


Copyright (c) 2017 Rubin O.D., Lisichkin S.E., Frolov K.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.