Усилването на стоманобетонни елементи работещи в условията…

НАПРЕГНАТО И ДЕФОРМИРАНО СЪСТОЯНИЕ НА СТОМАНОБЕТОННА ГРЕДА ПОДЛОЖЕНА НА ДИНАМИЧНО И СТАТИЧНО НАТОВАРВАНЕ ПРЕДИ И СЛЕД УСИЛВАНЕ С КАРБОНОВИ НИШКИ

РЕЗЮМЕ

Усилването на стоманобетонни елементи работещи в условията на постоянно и циклично променливо динамично натоварване представлява особен интерес по три основни причини. Първо тъй като елемента едновременно работи с определени постоянни и полезни товари, като чисто статическо състояние, върху който се добавят циклично променливи динамични товари, предизвикващи едно или двузначно напрегнато и деформирано състояние. Второ поради характера, интензивността и многообразието в действието на динамичните натоварвания създава условия за много специфично поведение на стоманобетонните елементи. Третата причина е съвместната работа на стоманобетонния елемент усилен със съвременни материали, както и преразпределението на усилията между тях при умора.
В настоящата статия е представено експериментално изследване на гредови елемент от обикновен стоманобетон мащабно моделиращ главните греди на типови мостови гредоскари с дължина 20m. Извършено е натоварване до 2х106 цикъла при симулиране на натоварване за умора от EN 1991-2: 2003 E, след което гредата е натоварена на стъпки до разрушение. След подходящо усилване експерименталният образец е натоварен с циклично променливо натоварване по ускорен метод и с натоварване до разрушение.

1. Въведение
Конструктивните елементи на връхните мостови конструкции са подложени на многократно променящи се натоварвания от трафика. Тези въздействия предизвикват знакопроменливи или знакопостоянни напрежения с голям размах, които в някои случаи могат да доведат до достигане на крайно гранично състояние от умора. В България до сега не са проверявани за умора пътните мостови конструкции от обикновен стоманобетон, тъй като това не се изисква по действащият нормативен документ [1]. При проверка на умора на главните греди на типова мостова гредоскара от обикновен стоманобетон с дължина 20m [3] по дефинициите на [5] и [8] част от тях не са удовлетворени. Получава се недостатъчна дълготрайност на носещата надлъжна армировка в случай на наличие на заварени съединения и на бетонът в натискова зона в горен ръб греда. С оглед на хармонизирането на българската нормативна база със системата EUROCODE е необходимо детайлно изясняване на дълготрайността на тези съоръжения и проучване на възможностите за усилване.
В доклада е представено експериментална постановка и резултати от изпитване на стоманобетоннен гредови елемент от обикновен стоманобетон подложен на циклично променливо и статично натоварване преди и след усилване с карбонови нишки.

2. Експериментална постановка
2.1. Пробно тяло използвано за експерименталното изследване
Изработени са осем гредови елемента, като мащаб на цитираните по-горе типови стоманобетонни мостови греди. Водещ при моделирането е мащабът на напрежението в надлъжната носеща армировка, който е приет – Mσ=1. Опитните образци са разделени в три серии в зависимост от разположението на заварените съединения в тях. В настоящият доклад се разглежда греда А1 от базовата серия, която е без заварени съединения по носещата армировка.

Фиг. 1. Армировъчен план на експерименталният образец

2.2. Схема за натоварване на опитният образец преди усилване
2.2.1. Циклично променливо натоварване
Като основен параметър за изчисленията се приема диапазонът на напреженията за достигане на уморна якост. Това приемане е възприето в [5], който е базов нормативен документ за изследването. Минималните и максимални напрежения в надлъжната носеща армировка са определени за действителна типова мостова гредоскара натоварена според дефинициите на [4] и [7] с товарен модел за умора LM3. Подбрано е такова напречно сечение на гредата, че в същото време да се получават натискови напрежения в горен ръб бетон приблизително равни на получените за горният ръб на реалната мостова греда. Гредовите елементи се натоварват с концентрирана сила в средата им.

Фиг. 2. Схема на подпиране и натоварване

 

Натоварването се осъществява посредством хидравлична преса WPM с 10t цилиндър създаваща циклично променливо натоварване изменящо се по синусуидален закон вариращо в указаните във „фиг.2. Схема на подпиране и натоварване” граници. При това изпитване не са използвани ускорени методи, а натоварването е извършено до 2х106 цикъла, както е дефинирано в [6]. За съкращаване на продължителността на работа са изпитвани по две греди едновременно, като натоварването се предава посредством разпределяща греда.

2.2.2. Статично натоварване до разрушение
След натоварване до 2х106 цикъла, при липса на видимо нарушение на носимоспособността на греда А1 се извършва натоварване на стъпки до разрушение. Гредата се разполага самостоятелно на натоварващият стенд и съответно отново се въздейства с една концентрирана сила в средата й. Приета е следната схема на натоварване:
• Първо се натоварва на стъпки до достигине на напрежение в носещата армировка равно на това получено от характеристична комбинация на въздействията от [4], като съответно се преминава през:
1. Квази статична комбинация на въздействията (perm):
(1)

– характеристична стойност на постоянното въздействие i

– характеристична стойност на усилие от предварително напрягане

– характеристична стойност на усилие от водещото променливо въздействиепешеходци

– характеристична стойност на усилие i от променливо въздействие – в случая няма други усилия освен

– коефициенти за комбинация на въздействията

2. Често повтаряща се комбинация на въздействията (frequently):

(2)

3. Не често повтаряща се комбинация на въздействията (non-frequently):

(3)

4. Характеристична комбинация на въздействията (rare):

(4)

• При следващата стъпка на натоварване достигаме до напрежение в носещата армировка равно на полученото със изчислителната комбинация на въздействията – Дълготрайна и краткотрайна изчислителна ситуация:

(5)

частни коефициенти на сегурност за съответните въздействия
• Следва натоварване на стъпки до разрушение на образеца.

2.3. Предварителни изчисления
Представени са предварителни изчисления за умора на гредовите елементи. Те са извършени на база на линейната хипотеза за акомулация на дефекти на Palmgren и Miner [9]. При изчислението са използвани дефинираните в [5] и [8] проверки за умора на армировъчната стомана и бетона в три стъпки и Вьолеровите криви за поведението и при циклично натоварване.
Първа стъпка – опростено доказателство с ограничаване на размаха на напреженията:
– за надлъжната носеща армировка

(6)

– за напречната носеща армировка

(7)

– за натиснатият бетон в горен ръб греда – по дефиниция на [5]

(8)

– за натиснатият бетон в горен ръб греда – по дефиниция на [8]

(9)

Втора стъпка – доказателство чрез заместване на спектъра на напреженията с повреждащо еквивалентен постоянен размах на напреженията, който за N* цикъла на натоварване предизвиква същите повреди като действителният спектър.
– за надлъжната носеща армировка
(10)

За натиснатият бетон проверки по втора и трета стъпка не са дефинирани при пътни мостове. От направените проверки се вижда, че при армировъчната стомана, тъй като отсъстват заварени съединения, проверката на умора е удовлетворена. При натиснатият бетон разглежданите нормативни докумени дават различни проверки, като тази по [8] е значително по-строга. Една от целите на експеримента е да установи достатъчна степен на сигурност ли дава проверката по [5]

Извършено е изчисление за очаквана разрушителна сила с допустимо удължение на носещата надлъжна армировка 25‰ и допустимо скъсяване на бетона в натиснатият ръб 3,5‰. Получено е очаквано разрушение от страната на бетона при натоварване със сила 6,1t.


3. Резултати от експерименталното изследване преди усилване
3.1. Резултати от циклично променливото натоварване
Още при първото статично натоварване до напрежение в носещата армировка равно на полученото от характеристичната комбинация на натоварване се образуваха пукнатини по-малки от допустимите. При първите 200 000 цикъла на натоварване и разтоварване беше наблюдавано известно разрастване на пукнатините и увеличение на деформациите. След това този процес постепенно затихна и до 2х106 цикъла поведението им остана непроменено. Не бяха наблюдавани никакви нарушения на натисковата зона, а относителните деформации в горен ръб греда останаха под 3,5‰ – при максималното натоварване относителното скъсяване в горен ръб бетон се измени от 0,783‰ до 0,839‰. Общите деформации нарастнаха от f=5,119 до f=5,391 при Fmax.

Фиг. 3. Експериментална постановка за циклично променливо натоварване на две греди

3.2. Резултати от статично натоварване до разрушение
Резултатите от натоварването до разрушение са представени в „фиг.4. Отчети от Мes-доза и провисване в средата на гр.А1”. Пълното разрушение на гредата в следствие провлачане на армировката и смачкване на натискова зона настъпи много близо до очакваната стойност, следователно няма отслабване на натиснатият бетон от циклично натоварване.

Фиг. 4. Отчети от Мeсдоза и провисване в средата на гр.А1

Фиг. 5. Широчина на пукнатините и приблизително провисване в средата на гр.А1

4. Усилване на греда с карбонови нишки
Вече дефектиралата греда е усилена с карбонови ленти и плат съгласно долупосочената схема.

Фиг. 6. Схема на усилената с карбон греда

Технология на усилването на дефектиралата греда
Първо се изчиства напукания бетон в опънната зона, както и смачкания бетон в натискова зона.При наличие на провлачена армировка следва да се възстанови. След това се възстановява бетоновото сечение, като преди това всички пукнатини се инжектират с епоксидна смола.Следва шлайфане и почистване на бетона в зоната на полагане на карбона, след което се нанася епоксидна шпакловка. Усилването в опънната зона на гредата се осъществява посредством карбонова лента MEGAPLATE с широчина 5cm, която се залепя с двукомпонентна епоксидна паста EPOMAX-PL. В напречна посока във вид на стремена се поставят карбонови ивици от плат MEGAWRAP-200, които се залепят с двукомпонентна епоксидна смола EPOMAX-LD. Задължително се изпълнява огнезащитен слой.
Основни характеристики на използваните материали:
Ленти от карбонови влакна MEGAPLATE
Модул на еластичност:
Якост на огъване:

Дебелина: 1,2mm
Широчина: 50mm

Плат от еднопосочни карбонови влакна MEGAWRAP-200
Модул на еластичност:

Якост на опън: 

Дебелина: 0,11mm
Двукомпонентна епоксидна смола EPOMAX-LD
Модул на еластичност:
Якост на опън: 

Двукомпонентна епоксидна паста EPOMAX-PL
Модул на еластичност:
Якост на опън:

Фиг. 7. Експериментална постановка за изпитването на усилената греда

5. Резултати от експерименталното изследване на усилената греда
5.1. Резултати от циклично променливото натоварване
Изпитването се извърши по ускорен метод до 40 000 цикъла на натоварване и разтоварване. На базата на акомулационната хипотеза на Palmgren и Miner беше изчислен размах на напреженията, който предизвиква същите повреди при 4х104 , като размахът от LM3 за 2х106 цикъла. Т.е изчисленият размах има стойност на DEd=3,427×10-3 при 4х104, а базовият размах има стойност DEd=3,427×10-3 при 2х106 цикъла.
Приетият цикъл на натоварване е от Fmin=7 kN до Fmax=26,5 kN.
При достигане до 4х104 цикъла не бяха наблюдавани видими нарушения в усилването. Общите деформации нарастнаха от f=3,15 до f=3,69 при 17 kN натоварване, което е приблизително Fmid.

5.2. Резултати от натоварване до разрушение
След цикличното натоварване се извърши натоварване на стъпки до разрушение. Стъпките на натоварване са приети същите, като при натоварването до резрушение преди усилване.

Фиг. 8. Отчети за натоварване и провисване в средата на гр.А1 след усилване

Беше наблюдавано разрушение от смачкване на натисковата зона на бетона.

Фиг. 9. Смачкване на натисковата зона на бетона на усилената греда А1

6. Изводи
1) Увеличаването на носимоспособността на гредата след усилване може да се отчетено при сравнение на двете графики (Фиг. 4. и Фиг. 8.), което изразено в процентно съотношение е около 44%. Това показва ефективността на приетото решение.
2) При циклично променливо натоварване до 4х104 цикъла, което е извършено с разрушително еквивалентен размах на напреженията, получен от натоварване с LM3 за 2х106 не са наблюдавани нарушения във усилването. Това решение дава възможност за увеличаване на експлоатационния живот на елемента и може да се използва за конструктивни елементи подложени на циклично променливи натоварвания след уточняване на Вьолеровите криви за поведението на усилващите материали.

Изказваме благодарност към фирма ISOMAT за предоставените от тях материали за реализирането на това изследване!

ЛИТЕРАТУРА
1. Временен правилник за проектиране на бетонни и стоманобетонни пътни мостове, Техника, София, 1973
2. Кузмов Д., Арнаудов А., Неделчев Т., „Изчисляване и изпитване на умора в машиностроенето”, София, Техника,1979
3. Номенклатура за сглобяеми мостове и надлези, СИГН 4-05-6/76г. ИПП „ПЪТПРОЕКТ”,
4. Д. Паничков, Обследване и изпитване на строителните конструкции и съоръжения, София, 2001
5. DIN-Fachbericht 101 – Einwirkungen auf Brüken. Fassung 2003
6. DIN-Fachbericht 102: Betonbrücken. (03/2003)
7. DIN 50100: Dauerschwingversuch – Begriffe, Zeichen, Durchführung, Auswertund. (02/1978).
8. EN 1991-2: 2003 E, Eurocode 1 – Actions on structures – Part 2: Traffic loads on bridges, European standard, 2003
9. EN 1992-2: 2005: E, Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 2 -Concrete bridges – Design and detailing rules, European standard, 2005
10. Zilch K., Zehetmaier G., Rußwurm D., Zum Ermüdungsnachweis bei Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen, In: Erläuterungen zu DIN 1045-1, Berlin, 2003
11. L. C. Bank, „Composites for construction, Structural Design with FRP Materials”, USA
12. Е. Абдулахад, Д. Паничков, Ф. Рангелова, Напрегнато състояние на стоманобетонни греди, армирани с конвенционална стоманена армировка и армирани с карбонова армировка, УАСГ, София, 2007г
13. Abdulahad, E., Panichkov, D. and Rangelova, F., 2007. CFRP reinforcement for concrete beam – an experimental investigation, International conference, Patras, Greece.
14. E. Abdulahad, D. Panichkov, Stressed state of a defected reinforced concrete beam strengthened with advanced CFRP system, Italy, 2009

  • Винербергер ЕООД

    Винербергер е разполага с над 220 производствени мощности в 27 държави. Дейността на Винер…
  • Пери България ЕООД

    Световен лидер в производство и доставка на високотехнологични системни решения за изграж…
  • ТОНДАХ ГЛАЙНЩЕТЕН АД

    ТОНДАХ Глайнщетен е пазарен лидер в производството на керамични керемиди в Средна и Източн…
Заредете още от Hobelix
Load More In Доклади

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Виж още

Винербергер ЕООД

Винербергер е разполага с над 220 производствени мощности в 27 държави. Дейността на Винер…