METHODOLOGY FOR DURABILITY CALCULATION OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES OF HYDROTECHNICAL ERECTIONS STRENGTHENED BY COMPOSITE MATERIALS

Cover Page

Abstract


The most effective way of strengthening reinforced concrete hydrotechnical constructions is the external reinforcement by composite materials based on carbon fibers. A method for calculating the strength of reinforced concrete hydrotechnicalerections with reinforcing by carbon fiber composite materials was innovated. The developed methodology is based on normative documents for design of reinforced concrete hydraulic structures, taking into account the design features of the hydraulic construct0ions and the results of the experimental studies


Анализ отечественного и зарубежного опыта [1-4] показал, что наиболее эффективным способом усиления железобетонных конструкций длительно эксплуатируемых гидротехнических сооружений (ГТС) является усиление внешним армированием из композиционных материалов на основе углеродных волокон. К особенностям железобетонных конструкций ГТС относятся: а) массивность (значительные геометрические размеры); б) применяется бетон и арматура не высоких классов: бетон В15?В30, арматура класса А-?, А-?? и А-??? (в последнее время применяется арматура класса А500С); в) низкие коэффициенты армирования ?s< 0,01; г) наличие межблочных строительных швов; д) особый характер трещинообразования в массивных конструкциях ГТС; е) наличие водной среды. Особенности характерных нагрузок на ГТС: а) гидравлические нагрузки; б) противодавление воды в трещинах и в раскрывшихся межблочных строительных швах; в) знакопеременные нагрузки и др. Учитывая вышеуказанные особенности железобетонных конструкций ГТС и действующих на них нагрузок, были проведены экспериментальные исследо- вания железобетонных конструкций ГТС, усиленных внешним армированием, при действии изгибающего момента [5]. Следует отметить, что разработанные ранее методики расчета прочности железобетонных конструкций, усиленных внешним армированием из компози- ционных материалов, разрабатывались применительно к конструкциям обще- строительного назначения, существенно отличающихся от конструкций ГТС [6,7,8]. При этом за основу принимались соответствующие нормативные доку- менты СП 52-101-2003«Бетонные и железобетонные конструкции без предвари- тельного напряжения арматуры», которые не распространяются на расчеты конструкций ГТС. Основываясь на нормативных требованиях СП 41.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений» (Актуализиро- ванная редакция СНиП 2.06.08-87) [9] с учетом результатов проведенных экспериментальных исследований, разработана методика расчета прочности желе- зобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных внешним армированием из композиционных материалов. При расчете железобетонных конструкций гидротехнических сооружений следует учитывать несущую способность усиливаемой конструкции. Расчет железобетонной конструкции, усиленной внешним армированием из полимерных композитов, следует производить с учетом начального напряженно-деформированного состояния конструкции перед ее усилением; которое определяется при действии фактических значений нагрузок без учета коэффици- ентов надежности по нагрузке. Основные положения методики расчета прочности изгибаемых элементов железобетонных конструкций ГТС, усиленных внешним армированием из ком- позиционных материалов по нормальным сечениям следующие. 1. Расчетное значение сопротивления растяжению материала внешнего ар- мирования следует принимать равным: ,(1) где: Ef - модуль упругости материала внешнего армирования;?fu - предельные расчетные деформации композита, определяются по формуле: , (2) где km - коэффициент условия работы материала внешнего армирования, зави- сящий от жесткости элемента усиления: при (3) при (4) где n - число слоёв материала внешнего армирования (ленты, сетки или ламе- ли);tf - безразмерный параметр, численно равный значению толщины одного слоя материала (ленты, сетки или ламели) в мм; Расчетная деформация растяжения: . (5) Расчетная прочность на растяжение материала внешнего армирования с учётом коэффициентов надежности условия работы СЕ определяется из выра- жения: . (6) Коэффициенты условий работыCEдля внешнего армирования принимаются в зависимости от условий окружающей среды по таблице 1. Т а б л и ц а 1 - Коэффициенты условий работы CEполимерного композита Условия эксплуатации конструкции Значение коэффициента CE Для ламелей Для полимерных композитов, армированных лентами, холстами, тканями Во внутренних помещениях 0,95 0,9 На открытом воздухе 0,85 0,8 При контакте с водой 0,765 0,72 Значения коэффициента надежности для предельных состояний первой группы принимаются равными: - для однонаправленных углеродных тканей - 1,2; - для двунаправленных углеродных тканей - 1,8. При расчете по предельным состояниям второй группы коэффициент на- дежности принимается равным 1,0. 2. Предельные усилия в усиленном сечении, нормальном к продольной оси элемента, следует принимать исходя из следующих предпосылок: - сопротивление бетона растяжению принимается равным нулю; - сопротивление бетона сжатию представляется напряжениями, равными Rb и равномерно распределенными по сжатой зоне бетона; - деформации (напряжения) в арматуре определяются в зависимости от высоты сжатой зоны бетона; - растягивающие (сжимающие) напряжения в арматуре принимают не более расчетного сопротивления растяжению Rs (сжатию Rsc); - деформации сдвига в клеевом слое не учитываются; - при расчете усиленной конструкции с учетом существующей стальной арматуры должно выполняться условие: , (7) где - предельное значение относительной деформации стальной арматуры, принимаемое равным 0,025 - для арматуры с физическим пределом текучести и 0,015 - для арматуры с условным пределом текучести; - начальное значение относительной деформации существующей стальной арматуры конструкции, определяемое с учетом наличия трещин в растянутой зоне конструкции. 3. Расчет по прочности нормальных сечений следует производить в зави- симости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны бетона? = x/h0 определяемой из соответствующих условий равновесия, и значе- нием граничной относительной высоты сжатой зоны ?Rf, при котором предель- ное состояние элемента наступает одновременно с достижением в полимерном композите значения напряжения, равного расчетному значению сопротивле- нию . 4. Значение следует определять по формуле: , (8) где - характеристика сжатой зоны бетона, принимаемая для тяжелого бетона равной 0,8; - расчетное значение предельных относительных деформаций, вычисляемое по формуле: , (9) ?b2 - относительные деформации сжатого бетона при напряжениях ; - значе- ние относительной деформации сжатой грани бетона до усиления конструкции. 5. При учете начального напряженно-деформированного состояния изги- баемых элементов, сформировавшегося в них до усиления, в формулах (7) и (8) значения начальной относительной деформации существующей стальной арматуры и начальной относительной деформации сжатого бетона допускается определять по формулам: , (10) , (11) где M0 - изгибающий момент от фактической нагрузки, действующей на конст- рукцию до усиления, относительно оси, нормальной плоскости действия изги- бающего момента и проходящей через центр тяжести приведенного поперечного сечения элемента;Eb1 - модуль деформации сжатого бетона;Ired - момент инерции приведенного поперечного сечения относительно его центра тяже- сти; -высота сжатой зоны бетона. 6. Расчет по прочности сечений изгибаемых элементов, усиленных внеш- ним армированием из полимерных композитов, следует производить из условия: , (12) где ?lc - коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый: при расчетах по первой группе предельных состояний: - для основного сочетания нагрузок и воздействий в период нормальной эксплуатации - 1,00; - то же, для периода строительства и ремонта - 0,95; для особого сочетания нагрузок и воздействий: - при особой нагрузке, в том числе сейсмической на уровне проектного землетрясения годовой вероятностью 0,01 и менее - 0,95; - при особой нагрузке, кроме сейсмической, годовой вероятностью 0,001 и менее - 0,9; - при сейсмической нагрузке уровня максимального расчетного землетря- сения - 0,85; - при расчетах по второй группе предельных состояний - 1,00. Коэффициент надежности по ответственности сооружения?n, принимается: - при расчетах по предельным состояниям первой группы: для класса сооружений: - I - 1,25;- II - 1,20;- III - 1,15;- IV - 1,10; - при расчетах по предельным состояниям второй группы - 1,00. Коэффициент условий работы сооружения?c, принимается по строитель- ным нормам и правилам на проектирование отдельных видов гидротехнических сооружений;М - изгибающий момент от внешней нагрузки;Мult - предельный изгибающий момент, который может быть воспринят усиленным сечением эле- мента. При расчете по прочности изгибаемых элементов рекомендуется соблю- дать условие: x ? ?Rfh. Расчетная схема для нормального сечения изгибаемого элемента представ- лена на рис.1. Значение для изгибаемых элементов прямоугольного сечения при следует определять по формуле: , (13) где bиh - соответственно высота и ширина поперечного сечения элемента; - рабочая высота сечения; - коэффициент условий работы бетона; - коэффициент условий работы армату- ры. При этом положение нейтральной оси определяется из условия: (14) где Ab, A's, As, Af- площади, соответственно, сжатой зоны бетона, поперечных сечений сжатой и растянутой стержневой арматуры и элемента усиления. Рисунок 1 - Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого железобетонного элемента с внешним армирова- нием из полимерных композитов, при его расчете по прочности 7. При x>?Rfhпредельный изгибающий момент Mult допускается определять по формулам: , (15) где - напряжение во внешней арматуре из полимерного композита. Напряжение определяется из зависимости: при усилении ненагруженной конструкции; (17) при усилении конструкции под нагрузкой. В формуле (15) значение следует принимать равным: - при : - при : Граничные значения ?R надлежит принимать по таблице 2. Т а б л и ц а 2 - Граничные значения высоты сжатой зоны Класс арматуры Граничные значения ?R при классе бетона В17,5 и ниже от В20 до В30 A-I 0,70 0,65 A-II, A-III, А500С 0,65 0,60 Сопоставление расчетных значений изгибающего момента с эксперименталь- ными данными приведено в таблице 3. Т а б л и ц а 3 Наименование моделей Расчетное значение изги- бающего момента, кН.м Опытное значение изги- бающего момента, кН.м Примечание Б-И15-1 20,58 23,1 Без усиления Б-И15-2 19,75 22,31 Без усиления Б-И15-3 42,02 50,14 Усиление лентой Б-И15-4 41,41 41,79 Усиление лентой Б-И15-5 39,07 42,29 Усиление ламелью Б-И15-6 39,15 42,0 Усиление ламелью Б-И25-1 42,47 43,52 Без усиления Б-И25-6 42,71 43,52 Без усиления Б-И25-4 66,10 67,46 Усиление лентой Б-И25-5 66,86 63,52 Усиление лентой Б-И25-2 63,10 65,78 Усиление ламелью Б-И25-3 62,12 62,66 Усиление ламелью Выводы 1. Впервые разработана методика расчета прочности железобетонных кон- струкций гидротехнических сооружений, усиленных внешним армированием из композиционных материалов на основе углеродного волокна. 2. Разработанная методика расчета прочности железобетонных конструк- ций гидротехнических сооружений, усиленных композиционными материала- ми, основывается на результатах проведенных экспериментальных исследова- ний и на положениях норм проектирования железобетонных конструкций гид- ротехнических сооружений (СП 41.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений».Актуализированная редакция СНиП 2.06.08-87). При этом учитывались характерные особенности конструк- ций гидротехнических сооружений.

O D Rubin

АО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» (АО «НИИЭС»)

Author for correspondence.
Email: info@niies.ru
125362, г. Москва, Строительный проезд, д. 7А

доктор технических наук

S E Lisichkin

ООО «Инженерный центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике»(ООО«ИЦСКТЭ»)

Email: cskte@mail.ru
125362,г. Москва, ул. Свободы, д.35

доктор технических наук

K E Frolov

ПАО «РусГидро»,127006

Email: FrolovKE@rushydro.ru
Москва, ул. Малая Дмитровка, д.7

инженер

  • Chernjavskij, V.L. (2010-2011). Sistema remonta i usilenija stroitel'nyh konstrukcij. Hydroteсhnika. № 4 (21)-5 (22). P. 60—63 (in Russian).
  • Serdjuk, A.I., Chernjavskij, V.L. (2013). Opyt usilenija stroitel'nyh konstrukcij kompozicionnymi materialami pri rekonstrukcii Baksanskoj GJeS. Hydroteсhnika. № 3 (32). P. 115—117 (in Russian).
  • Shilin, A.A., Pshenichnyj, V.A., Kartuzov, D.V. (2004). Usilenie Zhelezobetonnyh Konstrukcij Kompozitnymi Materialami, M.: Strojizdat. 144 p.(in Russian).
  • Sandeep S. Pendhari, Tarum Kant, Yogesh M.Desai (2008). Application of polymer composites in civil construction: A general review, Composite Structures. 84. P. 114—124.
  • Rubin, O.D., Lisichkin, S.E., Frolov, K.E. (2016). Rezul'taty jeksperimental'nyh issledovanij zhelezobetonnyh konstrukcij gidrotehnicheskih sooruzhenij, usilennyh uglerodnymi lentami, pri dejstvii izgibajushhego momenta. Structural Mechanics of engineering structures and buildings. № 6. P. 58—63 (in Russian).
  • Rukovodstvo po Usileniju Zhelezobetonnyh Konstrukcij Kompozitnymi Materialami. InterAkva, NIIZhB, Moscow, 2006. 48 p. (in Russian).
  • Bokarev, S.A., Smerdov, D.N., Nerovnyh, A.A. (2010). Metodika rascheta po prochnosti sechenij jekspluatiruemyh zhelezobetonnyh proletnyh stroenij, usilennyh kompozicionnymi materialami, Izvestija VUZov. Stroitel'stvo i arhitektura, Novosibirsk: Izd-vo NGASU. № 10. P. 63—74 (in Russian).
  • STO 2256-002-2011. Sistema vneshnego armirovanija iz polimernyh kompozitov FibARM dlja remonta i usilenija stroitel'nyh konstrukcij. Obshhie trebovanija. Tehnologija usilenija. ZAO «Prepreg-SKM», Moscow, 2012. 76 p. (in Russian).
  • SP 41.13330.2012 «Betonnye i zhelezobetonnye konstrukcii gidrotehnicheskih sooruzhenij», Aktualizirovannaja redakcija SNiP 2.06.08-87. Moscow, 2012. 68 p. (in Russian).

Views

Abstract - 456

PDF (Russian) - 172


Copyright (c) 2017 РУБИН О.Д., ЛИСИЧКИН С.Е., ФРОЛОВ К.Е.

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