Experimental studies of reinforced concrete structures of hydraulic structures strengthened with composite materials

Cover Page

Abstract


Relevance. During the operation process (first of all, long-term operation) of hydraulic structures, it becomes necessary to strengthen their reinforced concrete structures. In recent years, reinforcement of reinforced concrete structures has been used in industrial and civil construction by external reinforcement systems made of composite materials (for example, carbon materials). In this case, in hydraulic engineering construction there are only isolated examples of such amplification. Aims of research. Experimental studies of reinforced concrete structures of hydraulic structures strengthened with external reinforcement from carbon materials presented in the article were carried out in order to substantiate the use of external reinforcement based on carbon materials (tapes and lamellae) to reinforce reinforced concrete structures of hydraulic structures. Methods. In order to carry out an experimental study of the strengthening of hydraulic structures with external reinforcement, reinforced concrete models of hydraulic structures of a beam type were made of carbon materials. At the same time, reinforced concrete structures with characteristic features of hydraulic structures, such as low concrete classes and reinforcement percentages (less than 1%), were adopted for modeling. Reinforced concrete models were strengthened with carbon ribbons and lamellae. Experimental studies were carried out under the action of a bending moment using standard methods. The increase in the strength of reinforced concrete structures due to their reinforcement with carbon ribbons and lamellae was determined. Results. The results of experimental studies of the strength of reinforced concrete structures of hydraulic structures without reinforcement and reinforced with carbon ribbons and lamellae under the action of a bending moment are presented. On the basis of the comparison carried out, the increase in the strength of reinforced concrete structures is determined by their reinforcement with carbon ribbons and lamellae.


Введение 1 В настоящее время находит применение усиление железобетонных конструкций промышленного и гражданского назначения внешним арми- рованием из композитных материалов. Что касается практики отечественного гидротехнического строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений, то имеются отдельные примеры использования такого усиления. Поэтому возникает необходимость обоснования применения усиления внешним армированием из углеродных материалов (лент и ламелей) для усиления железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений принципиально отличаются от железобетонных конструкций промышленных и гражданских сооружений. Для железобетонных конструкций гидротехнических сооружений характерны: § значительные габариты, в том числе высота сечения конструкции более 1 м; § невысокие классы бетона (В10-В25); § невысокие классы рабочей арматуры (А-II, A-III, в последние годы находит применение арматура класса А500); § невысокие проценты армирования (менее 1 %); § большие диаметры арматуры (до 70 мм А-II, до 40 мм А-III); § наличие межблочных строительных швов; § особенности характера действия нагрузок (включая противодавление воды в раскрывшихся швах и трещинах). Выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта усиления железобетонных конструкций внешним армированием из углеродных материалов [1-7], показавший, что наиболее целесообразно усиливать железобетонные конструкции системами внешнего армирования из углеродных лент и ламелей. 8. Цель исследований В целях экспериментального обоснования применения внешнего армирования из композитных материалов для усиления гидротехнических сооружений были проведены экспериментальные исследования прочности железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных углеродными лентами и ламелями, при действии изгибающего момента. 9. Материалы и методы исследований Для экспериментов на действие изгибающего момента были изготовлены железобетонные модели балочного типа длиной 215 см, высотой 30 см и шириной 15 см (рис. 1). При этом создавались модели двух серий, отличающиеся армированием и классом бетона, присущих конструкциям гидротехнических сооружений. Модели одной серии имели армирование 2 диаметра 10 мм класса А500С (процент армирования 0,39 %) и изготавливалась из бетона класса В15 (рис. 1, а). Модели другой серии имели армирование 3 диаметра 12 мм класса А500С (процент армирования 0,83 %) и изготавливалась из бетона класса В25 (рис. 1, б). В каждую серию входили: две балки-близнеца без усиления; две балки-близнеца, усиленные углеродными лентами; две балки-близнеца, усиленные углеродными ламелями. Таким образом, было изготовлено двенадцать железобетонных моделей балочного типа. Рис. 1. Конструкция железобетонных моделей [Figure 1. The reinforced concrete models construction] Для усиления железобетонных моделей использовались углеродные ленты типа FibArm Tape 230/300 толщиной 0,128 мм и углеродные ламели типа FibArm Lamel 12/50. Ширина ленты принималась равной ширине моделей - 150 мм. Толщина ламелей принималась равной 1,2 мм, ширина - 50 мм. Ленты наклеивались на нижней растянутой грани моделей в два слоя. Ламели также наклеивались на нижней растянутой грани модели. На опорных участках продольные углеродные ленты и ламели закреплялись замкнутыми хомутами из углеродной ленты FibArm Tape 230/300 шириной 300 мм (рис. 2 и 3). Рис. 2. Схема оклейки железобетонных моделей углеродными лентами [Figure 2. The reinforced concrete models pasting with carbon tapes scheme] Рис. 3. Схема оклейки железобетонных моделей углеродными ламелями [Figure 3. The reinforced concrete models pasting with carbon lamellas scheme] В целях определения фактической прочности бетона моделей на сжатие и растяжение, а также модуля деформации одновременно с моделями бетонировались стандартные контрольные образцы: кубики размером 100×100×100 мм; призмы размером 100×100×400 мм и цилиндры диаметром 150 мм и высотой 150 мм. Для проведения испытаний на действие изгибающего момента железобетонные модели длиной 2,15 м устанавливались на специальном стенде на двух опорах, расставленных на расстоянии 1,95 м друг от друга. Одна из опор - неподвижная, другая - катковая. Для приложения вертикальной нагрузки применялся гидродомкрат, расположенный в центре пролета. Нагрузка передавалась на конструкцию через распределительную траверсу симметрично в двух точках на расстояниях 45 см от центра пролета и 52,5 см от опор (рис. 3). В ходе испытаний железобетонных моделей опытная нагрузка прикладывалась ступенями, составляющими 10 % от разрушающей нагрузки. При достижении 80 % от разрушающей нагрузка прикладывалась более мелкими ступенями (по 5 % от нагрузки разрушения). После приложения соответствующей нагрузки на каждом этапе производилась выдержка, составляющая 15 мин, после этого регистрировались показания приборов. Вид испытания железобетонных моделей представлен на рис. 4. Рис. 4. Испытание железобетонных моделей [Figure 4. The reinforced concrete models testing] Экспериментальные исследования проводились с учетом опыта исследований гидротехнических сооружений [8-13]. Результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, имеющих межблочные строительные швы, проведенных с участием автора, представлены в [14]. 10. Результаты исследований В результате проведенных испытаний железобетонных моделей, в том числе усиленных углеродными лентами и ламелями, на действие изгибающего момента были получены следующие результаты. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В15 с армированием 0,39 %, не имеющие усиления, разрушились при величине нагрузки 83,0 и 88,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В15 с армированием 0,39 %, усиленные углеродными лентами, разрушились при нагрузках 159,2 и 191,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В15 с армированием 0,39 %, усиленные углеродными ламелями, разрушились при нагрузках 161,1 и 160,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В25 с армированием 0,83 %, не имеющие усиления, разрушились при величине нагрузки 165,8 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В25 с армированием 0,83 %, усиленные углеродными лентами, разрушились при нагрузках 232,0 и 257,0 кН. Железобетонные модели-близнецы, изготовленные из бетона В25 с армированием 0,83 %, усиленные углеродными ламелями, разрушились при нагрузках 250,6 и 238,7 кН. Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в таблице. Результаты экспериментальных исследований железобетонных моделей, усиленных углеродными лентами и ламелями, при действии изгибающего момента [Table. The results of experimental studies of reinforced concrete models, strengthened with carbon ribbons and lamellae, under the action of bending moment] Таблица № Модель [Model] Установка элементов усиления [Strengthening elements setting] Прочность бетона на сжатие, МПа [Concrete compressive strength, MPa] Разрушающая нагрузка, кН [Breaking load, kN] Рэксп, Ррасч [Poper, Pcalc] Бетон В15, армирование 2Ø10А500С [Concrete B15, reinforcement 2Ø10А500С] 1 Б-И15-1 Без усиления [Without amplification] 25,8 88,00 1,14 2 Б-И15-2 15,9 83,00 1,09 3 Б-И15-3 Усиление углеродной лентой [Carbon tape einforcement] 24,4 191,00 2,50 4 Б-И15-4 24,4 159,20 2,10 5 Б-И15-5 Усиление углеродной ламелью [Reinforced carbon lamella] 20,5 161,1 2,15 6 Б-И15-6 20,5 160,0 2,13 Бетон В25, армирование 3Ø12А500С [Concrete B25, reinforcement 3Ø12А500С] 7 Б-И25-1 Без усиления [Without amplification] 29,5 165,80 1,03 8 Б-И25-6 36,5 165,80 1,03 9 Б-И25-4 Усиление углеродной лентой [Carbon tape einforcement] 39,7 257,00 1,57 10 Б-И25-5 24,3 232,00 1,42 11 Б-И25-2 Усиление углеродной ламелью [Reinforced carbon lamella] 37,4 250,6 1,53 12 Б-И25-3 37,4 238,7 1,46 Следовательно, за счет усиления углеродными лентами прочность железобетонных конструкций из бетона В15 с армированием 0,39 % повысилась в среднем в 2,3 раза; прочность железобетонных конструкций из бетона В25 с армированием 0,83 % - в 1,5 раза. За счет усиления углеродными ламелями, прочность железобетонных конструкций из бетона В15 с армированием 0,39 % повысилась в среднем в 2,14 раза; прочность железобетонных конструкций из бетона В25 с армированием 0,83 % - в 1,5 раза. В результате при меньшем армировании и классе бетона эффективность усиления железобетонных конструкций выше, что подтверждает актуальность данного метода усиления для гидротехнических сооружений.

Kirill E. Frolov

RusHydro (Public Joint-Stock Company)

Author for correspondence.
Email: frolovke@gidroogk.ru
7 Malaya Dmitrovka St., Moscow, 127006, Russian Federation

Engineer, Deputy General Director for Research and Development Activities; candidate for a scientific degree, Department of Hydrotechnical Structures, Institute of Amelioration, Water Management and Construction named after A.N. Kostyakov, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

  • Jian-he Xie, Ruo-lin Hu. (2012). Experimental study on rehabilitation of corrosion-damaged reinforced concrete beams with carbon fiber reinforced polymer. Construction and Building Materials, 38, 708-716.
  • Ehab Hamed, Bradford M.A. (2012). Flexural timedependent cracking and post-cracking behaviour of FRP strengthened concrete beams. International Journal of Solids and Structures, 49, 1595-1607.
  • Yinzhi Zhou, Mingkang Gou, Fengyu Zhang, Shoujun Zhang, Dan Wang. (2013). Reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer by friction hybrid bond technique: experimental investigation. Materials and Design, 50, 130-139.
  • Serdyuk A.I., Chernyavskiy V.L. (2013). Opyt usileniya stroitel'nykh konstruktsiy kompozitsionnymi materialami pri rekonstruktsii Baksanskoy GES [The Experience in strengthening building structures with composite materials during the reconstruction of the Baksanskaya HPP]. Gidrotekhnika [Hydrotechnika], (3-32), 115-117. (In Russ.)
  • Kozyrev D.V., Simokhin A.S., Chernyavskiy V.L., Os'mak P.P. (2009). Remont uchastkov napornogo kollektora kompozitnymi materialami [Repair of pressure collector areas with composite materials]. Montazhnyye i spetsial'nyye raboty v stroitel'stve [Installation and special works in construction], (9), 2-5. (In Russ.)
  • Aleksandrov A.V., Rubin O.D., Lisichkin S.E., Balagurov V.B. (2014). Raschetnoye obosnovaniye i tekhnicheskiye resheniya po usileniyu zhelezobetonnykh konstruktsiy GES (GAES), imeyushchikh treshchiny razlichnogo napravleniya, pri deystvii kompleksa nagruzok [Estimated rationale and technical solutions for strengthening concrete structures of HPP (SPP) having cracks of different directions, under the influence of complex loads]. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, (6), 50-54. (In Russ.)
  • Rubin O.D., Lisichkin S.E., Balagurov V.B, Aleksandrov A.V. (2016). Novaya tekhnologiya remonta GTS posredstvom armirovaniya kompozitnymi materialami [New technology hydropower constructions repair through reinforcement with composite materials]. Izvestiya VNIIG [Proceedings of the All-Russian Research Institute of Hydraulic Engineering], (280), 3-10. (In Russ.)
  • Lisichkin S.E., Rubin O.D., Lyapin O.B., Nefedov A.V. (1999). Issledovaniya betonnykh i zhelezobetonnykh energeticheskikh sooruzheniy [Research of concrete and reinforced concrete power structures]. Gidrotekhnicheskoye stroitel'stvo [Power Technology and Engineering], (8/9), 22-28. (In Russ.)
  • Lisichkin S.E., Rubin O.D., Kamnev N.M. (1998). Eksperimental'noye obosnovaniye uzla raspredelitelya k napornomu vodovodu zdaniya GES gidrouzla Al' Vakhda [Experimental substantiation of the distributor node to the pressure conduit of the building of the hydroelectric power station of the Al Wahda Dam]. Gidrotekhnicheskoye stroitel'stvo [Power Technology and Engineering], (6), 52-56. (In Russ.)
  • Frolov K.E. (2017). Eksperimental'nyye issledovaniya zhelezobetonnykh konstruktsiy gidrotekhnicheskikh sooruzheniy s sistemoy vneshnego armirovaniya uglerodnymi kompozitnymi lamelyami [Experimental research of reinforced concrete structures of hydrotechnical constructions with the system of external reinforcement by carbon composite lamels]. Prirodoobustroystvo [Environmental engineering], (1), 56-61. (In Russ.)
  • Rubin O.D., Lisichkin S.E., Frolov K.E. (2016). Rezul'taty eksperimental'nykh issledovaniy zhelezobetonnykh konstruktsiy gidrotekhnicheskikh sooruzheniy, usilennykh uglerodnymi lentami, pri deystvii izgibayushchego momenta [The results of experimental studies of concrete structures of hydraulic erections reinforced with carbon tape under the action of bending moments]. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, (6), 58-63. (In Russ.)
  • Rubin O.D., Seleznev S.V. (1987). Eksperimental'nyye issledovaniya sborno-monolitnykh konstruktsiy s bessvarnymi stykami. Materialy konferentsiy i soveshchaniy po gidrotekhnike [Conference and meeting materials on hydraulic engineering], 154-158. (In Russ.)
  • Rubin O.D., Lyapin O.B., Ni V.E. (1989). Usileniye ekspluatiruyemykh podpornykh sooruzheniy [Strengthening of operational retaining structures]. Gidrotekhnicheskoye stroitel'stvo [Power Technology and Engineering], (12), 42-45. (In Russ.)
  • Rubin O.D., Lisichkin S.E., Frolov K.E. (2018). Eksperimental'nyye issledovaniya zhelezobetonnykh konstruktsiy gidrotekhnicheskikh sooruzheniy s blochnymi shvami, usilennykh sistemoy vneshnego armirovaniya [Experimental investigations of reinforced concrete structures of hydraulic structures with block seams, enhanced by the external reinforcement system]. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 14(3), 198.(In Russ.)

Views

Abstract - 345

PDF (Russian) - 86

PlumX


Copyright (c) 2019 Frolov K.E.

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