Сопротивление сжатых элементов, усиленных обоймами с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона, действию продольных сил

Как известно, современная строительная наука предлагает достаточно большое разнообразие способов усиления строительных конструкций, в частности, железобетонных колонн [1]. Однако методика расчетов усиления сжатых железобетонных колонн пока остается несовершенной. Так, при разработке новых конструктивных решений усиления элементов колонн с использованием новых материалов, таких как самоуплотняющийся сталефибробетон, существует необходимость предварительного теоретического расчета разрушающей нагрузки. Однако в действующих строительных нормах [2, 3] такие зависимости, к сожалению, отсутствуют.

Существуют методики [4] определения прочности бетонного ядра колонн кольцевого поперечного сечения, однако, в силу того, что авторами используется металлическая оболочка в качестве съемной опалубки, данная методика не совсем подходит для определения прочности колонн, усиленных обоймами с вариацией бетона усиления.

Для расчета сжатых железобетонных элементов, усиленных железобетонными обоймами, В.В. Теряник предложил [5] использовать выражение

N < ФУ c ( [ R b 1 + m l ■ m S K * G o ] A bi + R sc A s +

⁺Y wb ( ( R b 2 ⁺ m 2 * m S K 2 ^g 0 ) A ef ⁺ R sco6 A sco6^m ) ^. (D

Условие прочности (1) можно использовать при расчете сжатых железобетонных элементов, усиленных обоймами, с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона с учетом эмпирического соотношения, полученного в ходе реализации физического эксперимента [6]. При расчете сжатых усиленных моделей колонн введено некоторое допущение: использование гипотезы плоских сечений.

Использование (1) для расчета сжатых железобетонных элементов, усиленных обоймами круглого сечения, возможно с учетом некоторых преобразований. Коэффициент эффективности бокового обжатия необходимо определять по выражению:

K *=2 K , (2) где значение коэффициента К определяется зависимостью вида:

5 + a

1 + 4,5 a ;

u - R

* cir scsc

O^                ,

R b

где *cir - коэффициент армирования косвенной арматурой кольцевого сечения определяется по выражению:

4-А • s , cir

* cir = „ ,    ,

5 ■ def

где A _{s , cir} – площадь поперечного сечения арматуры кольцевого сечения; d_e f – диаметр сечения внутри спирали (кольца); S – расстояние между кольцами.

Уровень бокового обжатия σ0 для арматуры кольцевого сечения определяется по формуле:

^g 0 = 2 * cir ^G y ,                                   ⁽⁶⁾

где g _y - предел текучести арматуры колец.

В условиях отсутствия в нормативной литературе зависимостей для учета эффекта обоймы за счет дисперсного (объемного) армирования, авторами было сделано предположение, основанное на экспериментальных исследованиях [6]: обжатие дисперсного армирования учитывалось увеличением класса бетона R_{b 2}, участвующего в расчете по формуле (1).

В предыдущих статьях авторов [7, 8] отмечалось существенное увеличение несущей способности элементов, усиленных обоймами с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона. В данной статье сравнивали экспериментальные данные с теоретическими, рассчитанными на основе выбранной методики (1). Результаты расчетов сведены в таблицу.

Поднебесов П.Г., Теряник В.В.

Сопротивление сжатых элементов, усиленных обоймами с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона…

Результаты испытания сжатых элементов, усиленных обоймами

Маркировка образцов	Экспериментальное значение, N obsu , кН	Теоретическое значение, N u , кН	N obsu / N u	Эффект обоймы
ЭС 1-1	274,59	358,10	0,77	–
ЭС 1-2	343,23	382,64	0,90
ЭС 1-3	323,62	368,38	0,88
ЭСУ 1-1	637,43	578,77	1,10	86 %
ЭСУ 2-1	637,43	702,10	0,91
ЭСУ 3-1	539,37	716,52	0,75
ЭСУ 1-1ф	661,95	694,87	0,95	99 %
ЭСУ 2-1ф	661,95	716,16	0,92
ЭСУ 3-1ф	588,40	747,36	0,79

Разрушающая нагрузка для неусиленных образцов составила в среднем 310 кН. Усиленные образцы с обоймами, выполненными из ССФБ показали наибольшую несущую способность по сравнению с остальными элементами, которая составила в среднем 637 кН. Деформации в продольной арматуре обоймы составили 240·10–5, в поперечной арматуре обоймы – 157·10–5. Несущая способность элементов, обойма которых выполнена из СУБ составили 620 кН. Деформации в продольной арматуре обоймы составили 154·10–5, в поперечной арматуре обоймы – 46·10–5.

Отмечено также, что железобетонные обоймы включались в работу несколько позже, за счёт не- значительного проскальзывания по поверхности элемента.

Элементы ЭСУ (ф) деформировались с образованием сетки мелких «волосяных» трещин, в то время как ЭСУ – с образованием вертикальных трещин, ширина которых многим больше по сравнению с обоймами из ССФБ.

Как видно из графиков (рис. 1, 2), в элементах ЭСУ(ф) с ростом нагрузки возрастают продольные и поперечные деформации, однако, образование трещин долгое время не наблюдается. Максимальная концентрация сеток трещин отмечена в опорных частях элементов. В то время как в ЭСУ с ростом нагрузки начинает разрушаться элемент,

Рис. 2. Зависимость N–ε sw для элементов:

1 – усиленный с помощью СУБ, 2 – усиленный с помощью ССФБ

Рис. 3. Зависимость N–ε _sw I ε _sc для элементов:

1 – усиленный с помощью СУБ, 2 – усиленный с помощью ССФБ

образовываются высоте обоймы.

продольные трещины по всей

ε

Как видно из диаграммы N– sw (рис. 3), в ε sc элементах, усиленных обоймами с использованием самоуплотняющегося сталефибробетона, с увеличением нагрузки на испытываемый образец, ССФБ деформируется упруго, в то время как деформации обойм из СУБ становятся пластическими. Исходя из рис. 3 можно предположить, что эффект обоймы для элементов с использованием ССФБ выше за счет лучшего сцепления бетонного камня со стальной волновой латунированной фиброй. Стальная фибра и СУБ образуют скелет, который очень хорошо сопротивляется продольной нагрузке, а также позволяет включить обойму в работу на самом раннем этапе.

Как отмечалось в исследованиях [9], адгезионная обмазка позволяет включать обойму в работу с элементом. Достоинством применения обойм из ССФБ является то, что:

• 1)    существенно повышается несущая способность системы элемент-обойма (см. таблицу);

• 2)    увеличивается деформативность элементов;

• 3)    увеличивается сцепление обоймы и усиливаемого элемента;

• 4)    исключается трудоемкость на устройство слоя из адгезионной обмазки. Обоймы из ССФБ более просты в изготовлении.

Таким образом, проведенные исследования подтверждают ранее полученные экспериментальные данные о существенном увеличении несущей способности сжатых железобетонных элементов за счет эффекта обоймы, а также увеличении дефор-мативности. Ключевым преимуществом является то, что ССФБ включает обойму на ранней стадии нагружения, о чем свидетельствует рис. 3. Рекомендуется использовать условие прочности (1) для определения несущей способности сжатых элементов, усиленных обоймами круглого сечения с использованием самоуплотняющегося сталефиб-робетона.