Использование сталефибробетона для усиления сжатых железобетонных элементов при воздействии циклов замораживания и оттаивания

Статья опубликована в журнале «Вестник евразийской науки», Том 15, № 6, 2023

Авторы: В. М. Попов, М. Г. Плюснин, В. И. Морозов, С. Н. Савин, Ю.
В. Пухаренко, Е. В. Мерзлякова

• Аннотация
• Введение
• Материалы и методы
• Результаты
• Выводы
• Информация об авторах
• Литература

Аннотация

В процессе эксплуатации зданий и сооружений их несущие железобетонные конструкции подвергаются воздействию неблагоприятных факторов внешней среды. Снижение несущей способности, вызванное воздействием этих факторов, приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик строительных объектов и необходимости в усилении повреждённых конструкций. В статье рассмотрен вариант усиления железобетонных колонн после воздействия циклов замораживания и оттаивания с помощью обоймы из сталефибробетона. При этом, помимо увеличения несущей способности за счёт высокой прочности сталефибробетона, реализуется эффект снижения доступа агрессивных агентов внешней среды к ядру колонны. С использованием нелинейной деформационной модели проведены расчёты, показавшие эффективность использования высокопрочного и высокоподвижного ремонтного состава «Гидробетон Наливной-2» для усиления железобетонных сжатых элементов, подвергшихся воздействию циклов замораживания и оттаивания. Объектом исследования являлась железобетонная колонна сечением 400×400 мм с симметричным армированием, подвергнутая воздействию циклов замораживания и оттаивания, и усиленная с помощью обоймы из сталефибробетонной смеси толщиной 50 мм. В качестве исходных данных использованы результаты экспериментальных исследований полных диаграмм деформирования бетона после воздействия циклов замораживания и оттаивания при сжатии и полные диаграммы деформирования ремонтной сталефибробетона на основе высокопрочного и высокоподвижного состава при сжатии и растяжении. Выполнен анализ влияния процента армирования сжатой железобетонной колонны до усиления на эффективность применения сталефибробетона ремонтного состава для усиления без дополнительной продольной арматуры..

В результате расчётов определено, что наибольший эффект (рост несущей способности в 2–3 раза) достигается для колонн, нагруженных продольными силами с малыми эксцентриситетами, а также с низким процентом продольного армирования.

Введение

В течении жизненного цикла зданий и сооружений несущие железобетонные конструкции подвергаются воздействию различных неблагоприятных факторов внешней среды, что приводит к снижению их несущей способности, приводящему к снижению долговечности, ограничению или полной невозможности использования зданий и сооружений по назначению. Для продолжения использования таких объектов по назначению либо их реконструкции необходимо проведение мероприятий по усилению их несущих конструкций. Существуют различные методы усиления железобетонных конструкций [1‒8]. Одним из них является бетонная или железобетонная обойма. Наиболее часто такие обоймы применяются при усилении железобетонных колонн [6‒9]. Этот способ усиления может быть эффективен для конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных к бетону факторов внешней среды, например, циклов замораживания и оттаивания, сочетающихся с увлажнением. С одной стороны, увеличение площади сечения колонны за счёт более прочного и жёсткого материала приводит к росту несущей способности, с другой стороны более плотный материал обоймы изолирует первоначальную часть сечения от действия агрессивных факторов, что, в свою очередь приведёт к увеличению сроков службы за счёт замедлению деструктивных процессов в бетоне и арматуре. Одним из наиболее перспективных материалов для усиления железобетонных конструкций методом обоймы является сталефибробетон, который
получается за счёт включения в бетонную матрицу металлической фибры различной формы и размеров. Помимо высокой прочности этот материал имеет большие предельные деформации и энергию разрушения, чем обычный тяжёлый бетон, а также может работать на растяжение [6‒15]. Ещё одной особенностью сталефибробетона является более вязкий по сравнению с обычным тяжёлым бетоном характер разрушения. В работе 1 приведены результаты исследования прочностных и деформационных характеристик сталефибробетона на основе высокопрочного и высокоподвижного ремонтного состава «Гидробетон Наливной-2» (производитель ООО «Кальматрон СПБ» город Санкт Петербург) и полученные в результате этих исследований полные диаграммы σ - ε. Характеристики этой сталефибробетонной смеси (подвижность, высокая адгезия) позволяют использовать её для изготовления обойм при усилении железобетонных колонн. Сталефибробетон, полученный из данной смеси, помимо высокой прочности (призменная прочность 57 МПа) имеет увеличенное по сравнению с обычным тяжёлым бетоном значение предельных деформаций при сжатии εb0 (до 3 ‰), что позволяет более эффективно использовать сжатую арматуру.

Таким образом, исследования в области усиления сжатых железобетонных конструкций с помощью сталефибробетонных обойм являются актуальными.

Исходя из вышесказанного, задачей описываемого в настоящей работе исследования является оценка эффективности усиления сжатого железобетонного элемента с симметричным армированием при различных процентах армирования и различных эксцентриситетах продольной силы.

Материалы и методы

Объектом исследования является железобетонная колонна с симметричным армированием, подвергнутая воздействию циклов замораживания и оттаивания (ЦЗО), и усиленная с помощью обоймы из сталефибробетонной смеси. Характеристики колонны приняты исходя из наиболее часто используемых на практике сечений и материалов: сечение колонны до усиления 400×400 мм, бетон В30, арматура А500. Колонна усиливается обоймой из сталефибробетона на основе высокопрочного и высокоподвижного ремонтного состава «Гидробетон Наливной-2», толщина обоймы 50 мм. Общий вид поперечного сечения показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Поперечное сечение колонны (составлено автором)

Несущая способность железобетонной колонны определяется по нелинейной деформационной модели (диаграммным методом) в соответствии с положениями пунктов 8.1.20–8.1.30 СП 63.13330.2018 «СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». Используются стандартные допущения диаграммного метода: линейная зависимость деформаций от высоты сечения в соответствии с гипотезой плоских сечений, равенство деформаций арматуры и бетона, находящегося в соответствующей части сечения. Максимальные значения деформации сжатой арматуры ограничиваются предельными деформациями бетона при сжатии, во всём диапазоне деформаций соотношения между деформациями и напряжениями бетона и арматуры определяются заданными диаграммами σ - ε. Критерием исчерпания несущей способности является достижение деформациями материалов своих предельных значений. Для определения несущей способности итерационным методом относительно деформаций ε₁ и ε₂ решается система уравнения, описывающая статическое равновесие в нормальном сечении колонны:

где N — внешняя продольная сила; M — внешний изгибающий момент; ε₁, ε₂ — деформации противоположных граней сечения колонны; N_b (ε₁, ε₂) = b ∙ ∫ σ_b (x, ε₁, ε₂ )dx — усилие в бетоне, σb (x, ε₁, ε₂) — распределение напряжений в бетоне по высоте сечения; N_fb (ε₁, ε₂) = = b_f ∙ ∫ σ_fb(x, ε₁, ε₂)dx — усилие в сталефибробетоне σ_fb(x, ε₁, ε₂) — распределение напряжений в сталефибробетоне по высоте сечения; ∑ N_si(ε₁, ε₂ ) = A_si ∙ σ_si(ε(x_ai, ε₁, ε₂)) n i=1 — усилия в арматуре; σ_si(ε) — аналитическая функция, описывающая зависимость σ - ε арматуры; z_f, z_fb z_si — расстояния от линии действия соответствующих сил до оси элемента, которые определяются в соответствии с расчётной схемой.

Диаграмма бетона σ - ε после воздействия ЦЗО принята по результатам, приведённым в работе [16], диаграмма сталефибробетона по данным. Диаграммы бетона и сталефибробетона представлены на рисунке 2. В соответствии с этими диаграммами сталефибробетон по сравнению с бетоном после ЦЗО имеет большие прочность, модуль упругости и предельные деформации при сжатии, а также работает при растяжении (Rfbt ≠ 0). Диаграмма σ - ε арматуры принята двухлинейной по СП 63.13330.2018. Для решения системы уравнений (1) разработана специальная компьютерная программа, реализованная на языке программирования Visual Basic. Итоговым результатом вычислений является ряд значений максимальной продольной силы и соответствующих им значений изгибающего момента.

При численном моделировании процент продольного армирования растянутой зоны µS варьировался в диапазоне 0,5–3,0 % с шагом 0,5 %.

Рисунок 2. Диаграммы σ - ε бетона после воздействия ЦЗО (пунктир) и ремонтной сталефибробетонной смеси (сплошная линия) (составлено автором)

Результаты

В результате численного моделирования для каждого процента армирования были получены ряды значений максимальной продольной силы и соответствующих им значений максимального изгибающего момента, являющихся границей области неразразрушения рассматриваемой железобетонной колонны до и после усиления. Для более удобного анализа результатов построены зависимости αn - αm колонны до и после усиления, которые представлены на рисунке 3. Параметры αn и αm определены с использованием расчётного сопротивления бетона и размеров поперечного сечения до усиления по формулам (2) и (3):

С ростом процента армирования кривые смещаются слева направо по оси αm и снизу-вверх по оси αn. Семейство кривых αn - αm для колонны до усиления показано сплошной линией и занимает диапазон αn = 0–1, αm = 0–1,176. Семейство кривых αn - αm для колонны после усиления показано пунктирной линией и занимает диапазон αn = 0–2, αm = 0–0,4.

Рисунок 3. Зависимость αn - αm для колонны до (сплошная линия) и после усиления сталефибробетоном (пунктир). Левая кривая (сплошная и пунктирная) соответствует µs = 0,5 %, правая — µs = 3,0 % (составлено автором)

В соответствии с графиками, показанными на рисунке 3 усиление обоймой из сталефибробетона приводит к существенному росту несущей способности, однако величина этого роста зависит от соотношения изгибающего момента и продольной силы, а также от величины продольного армирования µs. Максимальный рост несущей способности за счёт усиления отмечается при αn > 0,2. В этом случае значения αn и αm после усиления превышают соответствующие значения до усиления в два и более раза. Эффект от усиления снижается с ростом эксцентриситета (αn < 0,2). Для всех графиков можно определить три характерные точки в координатах αn и αm: αn = max, αm = 0 (случай центрального сжатия); αm = max (максимальное значение изгибающего момента при наличии продольной силы, которое достигается при достижении максимальных напряжений в растянутой и сжатой арматуре); αn = 0 (чистый изгиб). Первым двум характерным точкам на диаграммах соответствуют значения относительной высоты сжатой зоны: ξ = 1,14 (αn = max, αm = 0) и ξ = ξR (αm = max). Относительная высота сжатой зоны определяется по сечению до усиления, когда h = 400 мм и h0 = 350 мм. На рисунках 4–6 показаны зависимости относительного увеличения несущей способности от процента армирования µs для трёх этих случаев.

Рисунок 4. Зависимость роста несущей способности после усиления сталефибробетоном от процента армирования при αn = max, αm = 0 (составлено автором)

Рисунок 5. Зависимость роста несущей способности после усиления сталефибробетоном от процента армирования при αm = max (составлено автором)

Рисунок 6. Зависимость роста несущей способности после усиления сталефибробетоном от процента армирования при αn = 0 (составлено автором)

Исходя из анализа зависимостей, показанных на рисунках 3–6, наибольший эффект от усиления достигается для колонн с малым эксцентриситетом продольной силы (ξ ≥ ξR) — рисунки 4, 5. Несущая способность увеличивается в 1,8–2 раза в области, близкой к центральному сжатию (рис. 4) и в 2–3 раза в случае при αm = max (рис. 5). Причиной роста несущей способности в этом случае является высокая прочность сталефибробетона при сжатии, а также его способность воспринимать растягивающие усилия в случае наличия растянутой зоны. С ростом армирования соотношение усилий в сталефибробетоне, бетоне и продольной арматуре изменяется. Доля усилия в арматуре увеличивается, а доля усилия в сталефибробетоне снижается. Соответственно, с ростом продольного армирования эффект от усиления несколько снижается, но остаётся весьма существенным. Рассмотренные случаи работы при ξ ≥ ξR являются характерными для железобетонных колонн квадратного сечения с симметричным армированием.

При малых по сравнению с изгибающим моментом значениях продольной силы, когда значение αn близко к нулю (график на рис. 6) несущая способность складывается из усилия в сжатой зоне колонны и усилия в растянутой арматуре. При этом в сжатую зону входит лишь часть сталефибробетонной обоймы, а растягивающие усилия в сталефибробетоне малы по сравнению с усилиями в растянутой арматуре. Это приводит к снижению эффекта от усиления и рост несущей способности составляет около 20 % для µs = 1,5–3,0 %. Для колонн с малым процентом армирования (в рассмотренных вариантах армирования при µs = 0,5 % и µs = 1,0 %) рост несущей способности более заметен и составляет 50 % и 170 % при µs = 1,0 % и µs = 0,5 % соответственно. В этом случае разрушение колонн до усиления происходит за счёт обрыва растянутой арматуры при наличии запаса по бетону сжатой зоны. Усилие в растянутом сталефибробетоне оказывается сравнимым с усилиями в растянутой арматуре при её малом количестве и вызывает заметное увеличение суммарного растягивающего усилия и соответствующего ему усилия в сжатой зоне, что и приводит к увеличению несущей способности. Необходимо отметить, что условия работы при больших эксцентриситетах и близких к нулю продольных силах, когда значение αn близко к нулю, не характерны для железобетонных колонн с симметричным армированием. 

Выводы 

Усиление железобетонных сжатых элементов, подвергнутых ЦЗО, при помощи обоймы из сталефибробетона на основе ремонтного состава «Гидробетон Наливной-2» позволяет существенно поднять их несущую способность. Наибольший эффект (рост несущей способности в 2–3 раза) достигается для колонн, нагруженных продольными силами с малыми эксцентриситетами при всех рассмотренных процентах армирования, а также для колонн с низким процентом продольного армирования во всём диапазоне эксцентриситетов. Минимальный эффект от усиления (повышение несущей способности около 20 %) отмечен при больших эксцентриситетах продольной силы в области, близкой к чистому изгибу, что является нехарактерными условиями работы железобетонных колонн с симметричным армированием.

Информация об авторах

• Попов Владимир Мирович
  ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», Санкт-Петербург, Россия. Доцент.
  Кандидат технических наук, доцент
• Плюснин Михаил Геннадиевич
  ФГБОУ ВО «костромская государственная сельскохозяйственная академия», пос. Караваево, Россия. Доцент.
  Кандидат технических наук
• Морозов Валерий Иванович
  ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», Санкт-Петербург, Россия. Профессор.
  Доктор технических наук, профессор
• Савин Сергей Николаевич
  ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», Санкт-Петербург, Россия. Профессор.
  Доктор технических наук, доцент
• Пухаренко Юрий Владимирович
  ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», Санкт-Петербург, Россия. Заведующий кафедры «Технологии строительных материалов и метрологии».
  Доктор технических наук, профессор
• Мерзлякова Елена Викторовна
  ООО «Кальматрон СПБ», Санкт-Петербург, Россия. Директор.

Литература

1. Беспаев, А.А. Восстановление поврежденных железобетонных конструкций композитными пластиками / А.А. Беспаев, Ж.Ш. Муханбетжанова // Труды университета. — 2022. — № 3(88). — С. 213–219. — DOI 10.52209/1609-1825_2022_3_213. — EDN EZHPIQ.
2. Гучкин, И.С. Усиление железобетонной балки стальной затяжкой, накладками и фиброармированным пластиком / И.С. Гучкин, В.О. Булавенко // Региональная архитектура и строительство. — 2012. — № 1. — С. 69–74. — EDN OORAUT.
3. Расчет усиления обжатия при проектировании усиления железобетонных конструкций внешним армированием с предварительным напряжением Денисова А.Д. Вестник гражданских инженеров. 2020. № 5(82). С. 59–65.
4. Влияние ширины композиционного материала, применяемого при усилении железобетонных конструкций, на его работу при растяжении Денисова А.Д., Шеховцов А.С., Кужман Е.Д. Строительные материалы. 2022. № 11. С. 26–31.
5. Молодин, В.B. Сцепление бетона восстановления с коррозионнодеструктурированной железобетонной конструкцией / В.B. Молодин, С.Н. Леонович // Наука и техника. — 2022. — Т. 21, № 1. — С. 36–41. — DOI 10.21122/2227-1031-2022-21-1-36-41. — EDN OGZJFD.
6. Уткин, Д.Г. Усиление несущих железобетонных конструкций с применением фибробетона / Д.Г. Уткин, В.А. Анпилогова // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы Международных академических чтений, Курск, 18 ноября 2021 года / Курский государственный университет. — Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2021. — С. 249–254. — EDN TWCXTQ.
7. Поднебесов, П.Г. Испытания внецентренно сжатых железобетонных элементов, усиленных обоймами с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона / П.Г. Поднебесов, В.В. Теряник // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. — 2016. — Т. 16, № 1. — С. 5–11. — DOI 10.14529/build160101. — EDN VNXQQF.
8. Сикорская, О.В. Сравнение эффективности усиления внецентренно-сжатых железобетонных колонн при помощи сталефибробетона и железобетона методом двустороннего наращивания / О.В. Сикорская, А.О. Хегай // Вопросы науки и образования. — 2018. — № 8(20). — С. 24–29. — EDN XQXBNR.
9. Камалова, К.Д. Исследование усиления фибробетоном узлов монолитных железобетонных рамно-стержневых систем многоэтажных зданий при аварийных воздействиях / К.Д. Камалова // Научный электронный журнал Меридиан. — 2020. — № 3(37). — С. 465–467. — EDN WJLLDO.
10. Вахмистров А.И. Эффективность применения фибробетона в конструкциях при динамических воздействиях / А.И. Вахмистров, В.И. Морозов, Ю.В. Пухаренко, В.С. Стерин // Вестник гражданских инженеров. — 2006. — № 4(9). — С. 130–134. — EDN JWQSYP.
11. Тоцкий, О.Н. Ремонт железобетона фибробетоном / О.Н. Тоцкий // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2006. — № 2. — С. 80–83. — EDN JSISRJ.
12. Морозов, В.И. Сталефиброжелезобетонные конструкции в условиях сложных деформаций / В И. Морозов, Э.К. Опбул, А.Х.Б. Калдар-Оол // Вестник гражданских инженеров. — 2022. — № 3(92). — С. 21–27. — DOI 10.23968/1999-5571-2022-19-3-21-27. — EDN NJPBMN.
13. Морозов, В.И. Расчет изгибаемых сталефиброжелезобетонных элементов по нелинейной деформационной модели с использованием опытных диаграмм деформирования сталефибробетона / В.И. Морозов, Э.К. Опбул // Вестник гражданских инженеров. — 2016. — № 5(58). — С. 51–55. — EDN XGRIEB.
14. Experimental diagrams of fiber concrete straining under tension and compression and their implementation in calculation of bearing capacity of fiber-reinforced concrete flexural elements — Morozov V., Khegai A., Evdokimova T., Opbul E / Materials Science Forum, Trans Tech Publications, Switzerland. 2016. № 871 — p. 160–165.
15. Экспериментальные исследования деформативных свойств сталефибробетона повышенных классов — Хегай А.О., Хегай Т.С., Кирилин Н.М., Хегай О.Н. / Вестник гражданских инженеров. — 2020. — № 6(83). — С. 77–82.
16. Попов, В.М. Экспериментальное исследование диаграмм σ - ε бетона при одноосном сжатии и влияния на их форму циклов замораживания и оттаивания / В.М. Попов, М.Г. Плюснин // Вестник гражданских инженеров. — 2020. — № 4(81). — С. 80–88. — DOI 10.23968/1999-5571-2020-17-4-80-88. — EDN BUUCVB.

Похожие статьи: