Проектирование осевого усиления FRP колонн RCC -ACI 440.2R-08 - Строительство и ремонт

Системы осевого армирования FRP используются для улучшения или повышения пропускной способности железобетонных колонн. Она может использоваться как для колонн круглой, так и прямоугольной формы, но более эффективна в первом случае.
В данной статье рассматривается проектирование системы осевого усиления колонн с использованием стеклопластика.

Применение непрерывных систем FRP для осевого усиления колонн RCC

Преимущества систем осевого усиления колонн из стеклопластика

Увеличивает предельную несущую способность железобетонного элемента
Улучшает сдвиговую способность железобетонного элемента
Благодаря применению системы осевого армирования FRP улучшается способность арматурного стержня к сращиванию внахлест.
Значительно повышается пластичность железобетонной колонны.

Проектирование систем осевого армирования FRP для колонн

Осевое усиление FRP обычно проводится путем создания армированного волокнами полимера (FRP) вокруг железобетонных колонн. Этот метод усиления особенно эффективен, когда колонна имеет круглую форму.
Однако, если железобетонная колонна прямоугольная и отношение глубины к ширине колонны больше 2 или наименьшая сторона колонны больше 900 мм, то ACI 440.2R-08 не применяется для этого метода усиления.
Рисунок-2 иллюстрирует ограниченную зону в бетонных колоннах различной формы.

Ограниченная зона в круглых, квадратных и прямоугольных бетонных колоннах

Неэффективность ограничения прямоугольных или квадратных колонн может быть связана с неравномерным распределением напряжений и концентрацией напряжений на углу сечения. Это может привести к преждевременному разрушению усиленного элемента.
Очень важно полностью обернуть железобетонную колонну стеклопластиком, чтобы эффективно ограничить и улучшить элемент. В отличие от усиления железобетонных балок на изгиб и сдвиг, FRP, которые окружают колонну, активируются только в том случае, если элемент увеличивается в поперечном направлении и оказывает напряжение на FRP. Это означает, что усиление балок является активной системой, в то время как усиление колонн – пассивная система.
Система FRP, обернутая вокруг колонны, создает равномерное по окружности ограничивающее давление, которое действует против радиального сжатия. Рисунок-3 иллюстрирует, как системы FRP создают давление против расширения сжатия бетонной колонны.

Силы, действующие на ограниченную бетонную колонну

Железобетонная колонна, ограниченная непрерывными стеклопластиками

Укрепление колонны RCC при чистом сжатии

Прочность на сжатие железобетонной колонны может быть увеличена за счет ограничения колонны. Сжатие достигается путем направления FRP-систем вокруг колонны в поперечном направлении по отношению к продольному направлению колонны. Следует сказать, что любые FRP системы, которые применяются в других направлениях, следует игнорировать.
Номинальная мощность короткой ненапрягаемой железобетонной колонны нормального веса со связевой и спиральной арматурой может быть рассчитана по следующим двум уравнениям, приведенным в стандарте ACI 318-11:
Для стяжки:

Для спирали

Прочность на сжатие в ограниченном пространстве оценивается по формуле, приведенной в ACI 440.2R-08:
Если больше нуля, но меньше то применяется следующая формула:

Когда больше чем но меньше , то используется следующее выражение:

Где:
: Коэффициент снижения прочности, который составляет 0,75 для спирали и 0,65 для стяжки.
fc’: Прочность бетона
Ag: Общая площадь бетона
Ast: Площадь продольного армирования
fy: предел текучести продольной арматуры
fc: предел прочности при сжатии в ограниченном пространстве
Ec: Модуль упругости бетона
: Деформация бетона
: Предельная осевая деформация сжатия ограниченного бетона, которая может быть вычислена с помощью уравнения 10, и ее значение не должно превышать 0,01.
E2 и это наклон линейной части модели деформации напряжения для бетона с ПФО и переходная деформация на кривой деформации напряжения бетона с ПФО соответственно, и оба эти параметра могут быть оценены по следующим уравнениям:

Максимальная прочность на сжатие ограниченного бетона (fcc’) в уравнении-5 рассчитывается следующим образом:

Где:
: Коэффициент снижения прочности, принимаемый равным 0,95
ka: Коэффициент эффективности для FRP арматуры при определении максимальной прочности на сжатие в ограниченном пространстве, и он зависит от геометрии поперечного сечения, как показано на рисунке 2. Он может быть принят равным 1 для круглого сечения в соответствии с рекомендациями ACI 440.2R-08.
fl: Максимальное ограниченное давление из-за системы FRP, которое рассчитывается как:

Ef: Модуль упругости стеклопластиковой арматуры
n: Количество слоев стеклопластиковой арматуры
tf: Номинальная толщина одного слоя стеклопластиковой арматуры
D: диаметр круглого поперечного сечения компрессионного элемента
: Эффективный уровень деформации в стеклопластиковой арматуре достигается при разрушении и может быть оценен с помощью следующего выражения:

: коэффициент эффективности деформации FRP учитывает преждевременное разрушение системы FRP и обычно принимается равным 0,58.
: расчетная деформация разрыва стеклопластиковой арматуры
Максимальная осевая деформация сжатия ограниченного бетона может быть рассчитана по следующим уравнениям:

: Максимальная деформация некондиционного бетона
kb: Коэффициент эффективности для армирования FRP, который можно считать равным 1 для круглого сечения в соответствии с рекомендациями ACI 440.2R-08
fl / fc’: Коэффициент конфайнмента и должен быть не менее 0,08 в соответствии с рекомендациями ACI 440.2R-08.
Если укрепляется некруглое поперечное сечение, то в уравнении 8 следует использовать эквивалентный диаметр, как показано на рисунке 5:

Эквивалентное круглое поперечное сечение

И как коэффициент эффективности (ka) в уравнении 7 и (kb) основаны на площади поперечного сечения эффективно ограниченного бетона (Ae) и соотношении (h?b), как видно из следующих уравнений:

rc: Радиус угла сечения, как видно из рисунка 5.
pg: Коэффициент продольного стального армирования

Колонна, подверженная комбинированному осевому сжатию и изгибу

Железобетонная колонна, подверженная как осевому сжатию, так и изгибу, может быть усилена осевыми системами армирования FRP. Если эксцентриситет меньше 0,1h, то уравнение-1 и уравнение-2 могут быть использованы для прогнозирования влияния ограничения на повышение прочности.
Однако, когда эксцентриситет превышает 0,1h, тогда два предыдущих уравнения используются для оценки свойств материала бетона элемента поперечного сечения при сжатии. Это будет использовано для построения диаграммы взаимодействия (P-M), рисунок 6, для бетонного элемента, ограниченного системами FRP.
Кроме того, существует несколько ограничений, которые следует учитывать, когда элемент подвергается осевому сжатию и изгибу.
Первое условие, которое следует учитывать, это то, что эффективная деформация FRP должна быть больше 0,004.
Более того, если максимальный приложенный изгибающий момент и осевая сила расположены ниже линии, соединяющей точку равновесия на диаграмме взаимодействия для неограниченного элемента и начало координат, то повышение прочности не должно рассматриваться.

Диаграмма взаимодействия

Читать далее:
Усиление балок RCC при сдвиге с помощью пластин или полос FRP с внешней связью
Укрепление фундаментов

Читайте далее: