Усиление железобетонных балок с помощью FRP применяется для решения проблем, связанных с гражданской инфраструктурой. Существуют различные исследования, которые демонстрируют эффективность различных методов усиления с использованием FRP и значительно увеличивают как прочность, так и жесткость бетонного элемента.
Существует вероятность хрупкого разрушения усиленной бетонной балки из-за расслоения FRP, что может ограничить применение всего потенциала FRP. Поэтому изучение и понимание связи между FRP и бетоном имеет решающее значение для того, чтобы улучшить бетонные балки соответствующим образом.
В следующих разделах будут рассмотрены характеристики связи между бетоном и стеклопластиковыми стержнями, полосами и листами при различных методах усиления, например, при поверхностном монтаже и внешнем соединении.
Связь между бетоном и стеклопластиковыми стержнями в технике NSM
Наиболее важным фактором, который контролирует характеристики бетонных элементов, улучшенных с помощью NSM FRP балок, является связь между бетоном и FRP балок, поэтому правильное понимание поведения связи имеет большое значение для успешного усиления железобетонных балок.
Пруток-смола и смола-бетон – это два интерфейса, включенные в NSM FRP. Растягивающее напряжение возникает в арматуре FRP после нагружения конструкции. Результирующее напряжение, накладываемое ушком стеклопластикового стержня на клейкий материал, действует под углом 
к линии продольного стержня, как показано на рисунке 1, и 
является коэффициентом трения, который равен 
.
Силы между стеклопластиковым брусом NSM и эпоксидной смолой
Более того, как на границе бетон – клей, так и на границе клей – стеклопластиковый брус, радиальная составляющая результирующего напряжения создает области высоких растягивающих напряжений. Распределение напряжений вокруг стеклопластиковых стержней показано на рисунке 2.
Как видно из рисунка, существует разрыв напряжений на границе бетон-эпоксид; это связано с разницей между модулями упругости бетона и эпоксида.
Типичное распределение напряжений вокруг стеклопластиковых стержней
Существуют три механизма, которые противостоят напряжениям, возникающим при нагружении бетонного элемента. Во-первых, сопротивление деформированного стеклопластикового прутка при сцеплении с поверхностью бетона, которое называется механическим сцеплением.
Во-вторых, химическое сцепление между поверхностями бетона и бруса (адгезия) и, наконец, сопротивление трению между поверхностями бетона и бруса FRP.
Эти механизмы зависят от конфигурации поверхности прутков. Например, все виды сопротивления будут присутствовать, если брус имеет деформированную поверхность и в начале нагружения преобладает адгезия, а после разрушения химической связи активируется механизм сопротивления трению.
Когда поверхность бруса гладкая, только адгезия и трение выдерживают продольное напряжение сдвига. Поверхность стеклопластиковых брусьев покрыта смолой, поэтому прочность смолы значительно влияет на сцепление.
Эпоксидное разрушение и бетонное разрушение – это два разных режима разрушения, которые происходят в усиленной железобетонной балке. Последнее происходит, когда прочность бетона на растяжение превышает растягивающее напряжение на границе раздела бетон-эпоксидная смола. Это растягивающее напряжение может быть уменьшено путем увеличения ширины нарезки канавок.
Использование связующего материала, обладающего высокой прочностью на растяжение, и/или увеличение толщины эпоксидного материала может задержать разрушение эпоксидной смолы и, как следствие, разрушение бетона.
Касательное напряжение связи (
) в усиленной бетонной балке может быть рассчитано по следующему уравнению:
Где:
d: диаметр прутка
fFRP: напряжение в стеклопластиковом стержне NSM
Ld: длина заделки, необходимая для развития напряжения в стеклопластиковом прутке NSM.
Радиальное напряжение может быть рассчитано следующим образом:
Растягивающее напряжение на границе бетон-эпоксидная смола (
) может быть найдено как:
Кроме того, растягивающее напряжение на границе стеклопластик-эпоксид (
) оценивается по следующему уравнению и основывается на G2 или G’2 в зависимости от того, какое значение больше:
G1, G2 и G’2: Коэффициенты, определенные из анализа конечных элементов.
Все напряжения, упомянутые выше, показаны на рисунке 2.
Наконец, длина заделки, необходимая для предотвращения разрушения бетона, может быть выражена как:
А длина заделки, необходимая для предотвращения разрушения эпоксидной смолы, составляет:
где,
fct и fepoxy: прочность на растяжение бетона и эпоксидной смолы, соответственно.
Связь между стеклопластиковой полосой NSM и бетоном
Поскольку стеклопластиковые полосы NSM имеют две стороны, то между стеклопластиковой полосой и бетоном имеется две скрепленные боковые области. Была разработана аналитическая модель для оценки межфазного напряжения сдвига полосы FRP.
Модель учитывает не только двухстороннюю площадь сцепления, но и постоянное снижение жесткости при изгибе из-за растрескивания бетона.
Считается, что большая концентрация напряжений сдвига на конце полос приводит к отслоению полос. Когда просто поддерживаемая балка подвергается точечной нагрузке (P) в середине пролета, напряжение сдвига в точке, где заканчивается FRP полоса, может быть оценено следующим образом:
: – напряжение сдвига на конце стеклопластиковой полосы NSM.
tf: толщина стеклопластиковых полос NSM.
n: модульное соотношение между бетоном FRP и бетоном.
P: концентрированная нагрузка на разрушение.
lo: – длина полосы без связей.
yeff: расстояние от нейтральной оси балки до полос NSM FRP.
Ieff: эффективный момент инерции усиленного элемента.
x: расстояние между концом стеклопластиковой полосы NSM и опорой балки.
Ga: модуль сдвига связующего вещества.
ta: толщина клеящего материала.
Ef: модуль упругости стеклопластиковых полос.
Когда напряжение сдвига, которое зависит от свойств бетона, достигает максимального значения, происходит отслоение. Показано, что разрушение усиленных балок начинается и контролируется прочностью бетона на сдвиг.
Более того, прочность и адгезионные свойства других видов материалов, таких как эпоксидная смола и стеклопластиковая лента NSM, намного выше, чем у бетона.
Кроме того, предельное напряжение сдвига в усиленной балке может быть рассчитано, если известна прочность бетона на сжатие и растяжение, путем применения следующего уравнения.
Где
fc’: прочность бетона на сжатие через 28 дней
fct: Прочность бетона на растяжение
Величина нагрузки, которая вызывает разрушение усиленной балки, может быть найдена путем подстановки уравнения 9 в уравнение 7.
Что касается длины развития, то она зависит от размеров стеклопластиковой полосы, свойств бетона, свойств клея, соотношения внутренней стальной арматуры, расположения арматуры, типа нагрузки и ширины паза.
Длина развития полосы FRP может быть рассчитана с учетом следующих шагов. Во-первых, рассчитайте разрушающую нагрузку для различных длин заделки, в результате чего будет получена кривая, которая представляет собой огибающую разрушения из-за отслаивания полосы в точке отреза, как показано на рисунке 3.
Во-вторых, применяют анализ трещиноватого сечения на участках предельных наведенных нормальных напряжений и рассчитывают максимальную нагрузку, необходимую для разрыва полосы, как показано на рисунке 3.
В-третьих, найти длину развития на пересечении линии, соответствующей изгибному разрушению полосы, с кривой, представляющей разрушение от отрыва в конце полосы.
Наконец, следует сказать, что длина развития предотвращает хрупкое разрушение из-за отрыва полосы и гарантирует полное композитное действие между бетоном и FRP полосой.
Процедура оценки длины развития полос NSM
Сцепление между бетоном и стеклопластиковым листом с внешним скреплением
В этом методе одна сторона листа FRP соединяется с бетоном с помощью адгезивных материалов, и была разработана модель, которая учитывает постоянное снижение жесткости при изгибе из-за растрескивания бетона.
Напряжение сдвига (
) и нормальное напряжение (
) для просто поддерживаемой балки, подверженной сосредоточенной нагрузке в середине пролета, вычисляется на конце стеклопластикового листа с внешней связью с помощью следующих уравнений:
: – напряжение сдвига на конце стеклопластикового листа NSM.
: – нормальное напряжение на конце стеклопластикового листа NSM.
tf: толщина стеклопластикового листа NSM.
lo: – длина листа без связующего звена.
yeff: расстояние от нейтральной оси балки до листа NSM FRP.
leff: эффективный момент инерции усиленного элемента.
Ef: модуль упругости стеклопластикового листа.
Ec: модуль упругости бетона.
Ea: модуль упругости клеящего материала.
If: момент инерции листа FRP
bf: ширина листа FRP
Ma: приложенный момент на поперечном сечении усиленного бетона в точках отсечения
Vo: поперечная сила в усиленной бетонной балке в точке среза листа FRP
Комбинация сдвиговых и нормальных напряжений в точке отреза стеклопластикового листа может быть использована для определения отслоения стеклопластикового листа с внешним соединением. Соотношение между сдвиговыми и нормальными напряжениями в терминах прочности бетона на сжатие и растяжение может быть выражено как:
Читать далее: Усиление балок RCC при сдвиге с помощью пластин или полос FRP с внешним скреплением
- Эпоксидные полы: Виды, процесс укладки и преимущества.
- Детализация железобетонных балок в соответствии с кодексом ACI.
- Как отремонтировать трещины в бетоне с помощью эпоксидной смолы?.
- Какие существуют методы ремонта трещин в бетоне?.
- Расчет на сдвиг железобетонных элементов конструкций, армированных волокном.
- Усиление балок RCC при сдвиге с помощью пластин или полос FRP с внешней связью.
- Что такое арматура? Типы и марки стальной арматуры.