Результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности сжатых усиленных элементов реконструируемых зданий

Существуют различные способы усиления сжатых элементов при помощи железобетонных обойм, однако специфика их работы после усиления изучена не в полном объеме [5].

В продолжение исследований представленных в [1,2], авторами статьи проведен комплекс экспериментальных исследований по изучению влияния на прочность и деформативность сжатых усиленных элементов ряда факторов: эффекта обоймы, толщины обоймы.

Были изготовлены образцы колонн сечением 80x120 мм, длиной 900 мм (Х=39) из бетона В 20 состава 1:1,92:3,72 при водоцементном отношении 0,58 с использованием химической добавки С-3, осадка конуса 10-15 мм. Контроль прочностных характеристик бетона осуществлялся испытанием бетонных кубиков 150x150x150 мм. По истечению 28 суток прочность составила: R_cX = 292 кг/см², К_с2 = 277 кг/см², R_c3 = 301 кг/см², R_c4 = 297 кг/см², R_c5 = 276 кг/см². Продольное армирование элементов - 4 стержня диаметром б мм А-Ш, предел текучести а_м = 440 МПа, предел прочности cr _v = 640 МПа, относительное удлинение 27 %, поперечное армирование выполнено в виде замкнутых хомутов из арматуры диаметром 4 мм Вр-I с шагом 120 мм. Элементы для испытания изготовлены прямоугольного сечения с симметричным армированием на заводе ЖБИ г. Тольятти с использованием местных материалов: портландцемент М 400, щебень М600 фракции 5-10 мм.

Усиление фрагментов колонн осуществлялось железобетонной обоймой. Для искл ючения преждевременного разрушения, оголовки колонн были усилены металлическими башмаками [4].

Железобетонная обойма изготовлена из бетона В 20 состава 1:1,92:3,72 при водоцементном отношении 0,58. Толщина обоймы усиливаемых элементов 30 и 40 мм, длиной 600 мм. Продольное армирование обойм - 4 стержня диаметром б мм А-Ш, поперечное - выполнено в виде замкнутых хомутов из арматуры диаметром 4 мм Вр-I с шагом 30 и 60 мм. Для обеспечения надежного сцепления старого и нового бетона использовались традиционные методы обработки поверхности бетона (очистка стальными щетками, обеспыливание и промывание водой за 1-1,5 часа до бетонирования).

Для измерения деформаций, на продольную и поперечную арматуру каркасов испытываемых образцов перед бетонированием наклеивались на клей БФ-19 тензорезисторы 2ПКБ-20-200Б, после чего на них наносился защитный слой из эпоксидного клея, и производилась заливка бетона. Расположение тензорезисторов производилось по схеме: продольная арматура усиливаемых образцов, продольные и поперечные стержни железобетонной обоймы. Статические испытания проводились на прессе П-250 на осевое сжатие. Нагрузка прикладывалась ступенями, равными 10 % от разрушающей, и к концу испытаний ступени уменьшались вдвое. Каждая ступень нагружения выдерживалась

Теория расчета строительных конструкций

в течение 5-10 мин. Регистрация деформаций производилась на ИДЦ-1.

Проведенные испытания показали, что неусиленные элементы (ЭО) разрушались с образованием продольных трещин. При приложении максимальной разрушающей нагрузки, образец полностью терял свою несущую способность.

Экспериментальные образцы, усиленные железобетонными обоймами, разрушились по обойме с образованием продольных трещин, наблюдалось выпучивание поперечной арматуры обойм. Образование трещин происходило при нагрузке 7080 % от разрушающей (рис. 1). Заметного отслоения железобетонной обоймы не обнаружено. Характер разрушения обойм показывает наличие в них деформаций в поперечном направлении. Показания тензорезисторов, расположенных на поперечных стержнях обоймы, так же подтверждают это (рис. 2).

Рис. 1. Характер разрушения железобетонных обойм

Образцы с железобетонной обоймой, толщиной 40 мм с шагом поперечной арматуры 30 мм (ЭО-1-2), показали наибольшую несущую способность по сравнению с другими усиленными элементами. Несущая способность элементов (ЭО-1-2) увеличилась в среднем на 71 % по сравнению с неусиленными элементами. Деформации в продольной арматуре колонны составили 212-10"5, в поперечной арматуре обоймы 118-10”5. Отмечено (см. рис. 2), что до определенного времени поперечные деформации в обойме развиваются медленно. Достигнув нагрузки 250 кН, наблюдается стремительное развитие поперечных деформаций.

Такая же картина наблюдается при испытании усиленных элементов с толщиной обоймы 30 мм и шагом поперечной арматуры 30 мм (ЭО-1-1). Однако несущая способность образцов (ЭО-1-1) увеличилась в среднем на 57 % по сравнению с неусиленными элементами. Деформации в продольной арматуре колонны составили 209,5ТО-5, в поперечной арматуре обоймы 112,6-10-5. В результате изменения толщины обоймы с 30 мм (ЭО-1-1) до 40 мм (ЭО-1-2), несущая способность усиленных элементов увеличилась на 14 %. Можно предположить, что увеличение толщины железобетонной обоймы повлияло на несущую способность усиливаемого элемента незначительно.

В образцах с обоймой толщиной 40 мм и шагом поперечной арматуры 60 мм (ЭО-П-2) прослеживается совершенно другой характер работы по сравнению с ЭО-1-2 и ЭО-1-1. Кривая зависимости «N-г» в продольной арматуре (рис. 3) более пологая и деформации развиваются примерно одинаково. Увеличение несущей способности усиленных образцов составило 46 % по сравнению с неусиленными. Деформации в продольной арматуре колонны составили 206,3-10”⁵, в поперечной арматуре обоймы 109-10”⁵.

Наименьшую несущую способность показали образцы, толщина обоймы которых 30 мм и шаг поперечной арматуры 60 мм (ЭО-П-1). Она в среднем составила 230 кН, что на 15 кН меньше несущей способности образцов серии ЭО-П-2 и на 50 кН образцов серии ЭО-1-2. Увеличение несущей способности образцов (ЭО-П-1), по сравнению с неусиленными, составило 36 %. Характер развития деформаций в продольных и поперечных стержнях испытываемых образцов, аналогичен развитию деформаций в образцах ЭО-П-2 (см. рис. 2, 3). Деформации в продольной арматуре колонны составили 202,4-10-5, в поперечной арматуре обоймы 106,8-10”5.

Отмечено также, что у всех серий испытываемых образцов железобетонные обоймы включались в работу по истечении определенного времени, за счет незначительного проскальзывания по поверхности элемента.

Расчет усиленных элементов произведен с учетом работ [2, 3]. При этом используются формулы для косвенного армирования сетками:

^{N 5} ф{(^ЛЫ +^тз^К1^С0^М ^{+ R}sc^Asc ⁺

+ У ) ^Aef ^Rsc,ob^Asc, ob ’ 0) где R_bx, R_b2 - расчетное сопротивление сжатию нового и старого бетона; Л_Ь1 - площадь поперечного сечения усиливаемого элемента; А_е^ - площадь бетона внутри контура сеток; К* , К₂ - коэффициенты эффективности бокового обжатия; а₀ - уровень бокового обжатия, определяемый как для элементов с косвенным армированием сетками; m^k_s - коэффициент, снижающий боковое дав-

Теряник В.В., Бирюков А.Ю.

Результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности сжатых усиленных элементов...

Рис. 2. Зависимость N- e_sw для элементов: 1 - ЭО-М; 2 - ЭО-1-2; 3 - Э0-1М; 4 - ЭО-П-2

Рис. 3. Зависимость N-e_sc для элементов: 1 - ЭО; 2 - ЭО-М; 3 - ЭО-1-2; 4 - ЭО-IM; 5 - ЭО-Н-2

ление из-за изгиба поперечных стержней; у_ю6 -коэффициент условий работы обоймы; A_sc, A_scob - площадь поперечного сечения продольной арматуры на сжатие соответственно усиливаемого элемента и обоймы; ср - коэффициент продольного изгиба усиленного элемента.

Выводы

Экспериментальные исследования подтвердили ранее полученные данные об увеличении несущей способности сжатых усиленных элементов за счет эффекта обоймы. Железобетонные обоймы можно рекомендовать для усиления сжатых железобетонных колонн при увеличении эксплуатационных нагрузок в условиях реконструкции зданий и сооружений.